层状过渡金属硫属化物的制备及光电性质研究

摘要

过渡金属硫属化物（transition metal dichalcogenide，TMDc），作为二维材料中重要的一员，由于具有适中的禁带宽度、高载流子迁移率、厚度薄等优点从而在微纳光电、电子器件方面具有重要的应用价值。目前，基于TMDc材料的场效应晶体管的载流子迁移率能够达到10cm2·V-1·s-1以上，开关比能够达到106以上；在光电探测应用方面，能对可见至近红外光源实现高效探测。但是，目前TMDc材料在光电器件应用领域还存在以下两个问题。第一、为实现TMDc材料光电、电子器件的广泛应用，器件的时间响应速率、光增益等性能还有待进一步提高。第二、为实现TMDc材料光电、电子器件的集成化应用，需要研究高效率、大面积的TMDc材料制备方法。因此，本文为解决上述的两个瓶颈问题，本论文主要开展了以下工作： 第一、对于场效应晶体管器件而言，载流子迁移率是一个非常重要的性能指标。根据第一性原理的仿真结果表明HfSe2在众多TMDc材料中具有极高的载流子迁移率。本文研究了HfSe2、MoS2两种TMDc材料的场效应晶体管，并测试比较了两种器件的性能指标。测试结果表明两种器件具有较高的载流子浓度，而MoS2晶体管的开关比（105以上）却远高于HfSe2晶体管（不足10），因此，MoS2非常适合应用于光电、电子器件。而对于HfSe2晶体管，本文分析了其开关比较低的原因并对一些改进方案做了展望。 第二、对于MoS2等单一TMDc材料的光电探测器而言，光电流来源于光诱导浮栅效应，尽管具有较高的光增益，但是响应速率较慢。为解决这一矛盾，本文研究了一种MoS2-CdSe2量子点的复合结构，并应用于研制光电探测器。该复合结构光电探测器的光电流产生来源于CdSe量子点导带光生电子的直接转移。能够解决光诱导浮栅效应所存在的光增益与光效应速度矛盾的问题。在保证器件具有高光响应度、高光电流的同时，能够有效减少器件的响应时间并提高探测器的载流子迁移率。 第三、为解决机械剥离在制备二维材料存在尺寸小、形貌不可控等瓶颈问题，探索大面积、高光电性能TMDc材料的制备方法。本文研究使用化学气相沉积法制备MoS2，并通过一系列的表征手段分析了生长温度、生长时间等工艺参数对于样品的影响。为化学气相沉积法制备大面积的MoS2提供了研究基础，对于MoS2等二维材料在柔性电子芯片、集成电路等方面的应用具有重要研究价值。

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第一章绪论

1.1引言

1.2二维材料的种类

图1-1 不同二维材料的原子结构示意图。

1.3二维材料的制备

1.3.1 微机械剥离法

1.3.2 液相超声剥离法

1.3.3 化学气相沉积法

1.4 二维材料在光电、电子器件领域的应用研究

1.4.1 单一二维材料光电、电子器件

1.4.2 二维材料复合结构光电、电子器件

1.4.3 本文主要研究内容

第二章基于过渡金属硫属化物的场效应晶体管

2.1 引言

图2-1 超过40种的TMDc材料，过渡金属元素和硫族元素在元素周期表中的位置[52]。

图2-2 14种TMDc的晶体结构、电子参数、迁移率的仿真计算结果[57]。

2.2 MoS2、HfSe2纳米片制备

图2-3 机械剥离法制备MoS2纳米片。

2.3 MoS2、HfSe2纳米片的表征

2.3.1 光学显微镜

2.3.2 原位拉曼光谱

2.4 MoS2、HfSe2场效应晶体管的制备工艺

图2-6 MoS2、HfSe2场效应晶体管的结构图。

图2-7 MoS2、HfSe2场效应晶体管的制备工艺流程图。

2.5 MoS2、HfSe2场效应晶体管的测试

2.5.1 Id-Vds特性

2.5.2 Vg-Id转移特性

2.6 本章小结

第三章 基于MoS2-CdSe量子点复合结构的光电探测器

3.1 引言

3.2 制备工艺

图3-1 MoS2-CdSe量子点光电探测器的制备工艺流程图。

图3-2 (a,b) CdSe量子点的透射电镜图，比例尺分别为50 nm, 10 nm；(c,d)

3.3 光电探测器的测试

3.3.1 Id-Vds特性

3.3.2 Vg-Id转移特性

3.3.3 光电流与响应度

3.3.4 时间响应特性

3.4 机理分析

图3-7 MoS2与CdSe量子点之间的电子转移机制。

3.5 本章小结

第四章 MoS2的化学气相沉积制备工艺研究

4.1 引言

4.2 化学气相沉积法制备MoS2

4.2.1 实验材料及设备

4.2.2 实验过程

4.3 材料表征

4.3.1 扫描电子显微镜表征

4.3.2 EDS能谱表征

4.3.3 拉曼光谱表征

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

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