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2D二硫化钼/3D二氧化钼混合维度范德华异质结构的一步法制备及新奇光电特性

原子级厚的二维过渡金属硫化物(TMDs),比如二硫化钼,由于其独特的物理特性引起了学术界和工业界的广泛关注,并在电子、光电、能源等领域展现出极大的潜在应用价值。虽然二维层状TMD半导体带隙可调控,但单一材料的性能很难满足多领域的需求。因此,设计以二维TMD半导体为基础的范德华异质结构成为当今科研界的研究热点。这是由于不同材料之间存在的相互作用,使得TMD基异质结构具有不同与单一材料的新奇物理特性。

TMD半导体基异质结构可分为平面异质结和垂直异质结(或称为范德华异质结)。近几年,科研人员探索出多种TMD基异质结构的制备方法,主要包括定位机械转移和化学气相沉积(CVD)直接生长法。通过定位机械转移虽然可以得到高质量、高性能的垂直异质结器件,但该方法需要多步工序、容易引入化学污染、重现性差。另外,定位机械转移法制备的TMD基垂直异质结有效尺寸小,限制了其实际应用。CVD直接生长法可用来制备大面积TMD基二维平面、垂直异质结,但其仍存在类似的不足之处:工序复杂、可控性差。

最近,多个研究团队开始探索更加复杂的TMD基二维/三维(2D/3D)混合维度范德华异质结的制备及其物性研究,例如2D/3D n-MoS2/p-GeMoS2/SiMoS2/GaN等。这些混合维度异质结构均由二维TMD半导体和三维块体半导体通过范德华力结合而成,并表现出各自优异的光电特性。然而,构建与规模化制备具有新奇物性的TMD基混合维度异质结仍是目前学术界面临的一个巨大挑战。


2D二硫化钼/3D二氧化钼混合维度范德华异质结构的一步法制备及新奇光电特性


近日,内布拉斯加林肯大学电子与计算机工程系李大卫等人(陆永枫课题组)利用气相输运辅助快速热处理法一步实现了基于单层二硫化钼(MoS2)和块状二氧化钼(MoO2)的大尺寸半导体/金属混合维度异质结构,并对该结构的电学和光学特性进行了仔细研究。变温电学输运测量结果表明:在氧化硅衬底上生长的2D/3D MoS2/MoO2异质结构显示出金属属性;而在熔融石英衬底上得到的相同异质结构则表现出半导体性。表面电位显微镜证实硫化程度的不同导致了两种衬底上的2D/3D MoS2/MoO2异质结构具有不同的电荷输运行为。在光学方面,2D/3D MoS2/MoO2异质结构中同时观察到了中性激子(exciton)和带负电的三激子(trion),这被认为是由于异质结构中电子从MoO2MoS2的转移。利用变温PL光谱,可以有效调控trions。同时还发现,trions甚至在室温下表现出很好的稳定性。

该工作不仅激发了2D/3D混合维度范德华异质结构新材料体系及其物理特性的研究,也为设计和构建新型复杂、多功能异质结构器件开辟了新思路。相关文章发表在Advanced Electronic Materials (DOI:10.1002/aelm.201600335)上。阅读原文可以直接点击左下角阅读原文按钮进行全文阅读或点击全文文章链接http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aelm.201600335/abstract


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