单层二硫化钼的生长、异质结制备及其器件研究

摘要

单层二硫化钼（Molybdenum Disulfide，MoS2）是一种过渡金属硫族化合物（Transition Metal Dichalcogenides，TMDC），具有良好的载流子迁移率及1.8eV的直接带隙，在微电子及光电子等器件应用方面可有效弥补石墨烯零带隙的劣势，同时其无悬挂键的表面及原子级厚度可有效抑制晶体管中的短沟道效应，在后摩尔时代具有巨大的发展前景，因此成为当前材料科学领域的研究热点之一。本文对单层MoS2及其异质结的制备以及器件性质进行了系统的研究。 首先，本文研究了高质量单层MoS2的生长。通过常压化学气相沉积法，以二氧化钼和硫粉为前驱体，在850℃的生长温度下制备出了尺寸~100μm的单层MoS2晶畴。利用扫描电镜、透射电镜、原子力显微镜、拉曼光谱以及光致发光谱对生长的MoS2材料进行表征，并系统地研究了生长过程中二氧化钼前驱体与生长衬底的距离、硫引入位置和生长气流等因素对MoS2形貌的影响规律。为降低生长温度，本文进一步研究了NaCl作为生长辅助剂对MoS2生长温度的影响，并深入讨论了其微观机理。研究证实，采用25μg NaCl作为辅助剂，在750℃可生长出尺寸较均匀、结晶度较好的单层MoS2。 其次，鉴于转移过程对MoS2异质结的制备具有重要影响，本文分别研究了Cu辅助热释放胶带转移法、Polymethyl Methacrylate（PMMA）衬底腐蚀转移法以及PMMA辅助热释放胶带转移法等三种转移过程对MoS2和WS2材料的影响。通过对比转移前后材料的拉曼和光致发光谱证实，PMMA辅助热释放胶带转移法综合了其他两种转移方法的优点，既在转移过程中对材料提供了足够的支撑，避免了PMMA衬底腐蚀转移过程造成的材料局部破损或褶皱；又避免了Cu辅助转移时Cu膜剥离过程对材料造成的损伤。 最后，为了进一步研究MoS2材料的电学特性和异质结应用，本文使用电子束曝光及电子束蒸发工艺制备出性能优秀的MoS2背栅场效应晶体管器件，其在室温大气环境下测得的迁移率达2cm2V-1S-1，开关比为107，对应的光电探测器的响应度为18.9AW-1；同时利用PMMA衬底腐蚀转移法以及PMMA辅助热释放胶带转移法将MoS2分别转移到单层WS2和WSe2上，制备出了垂直堆叠的Ⅱ型MoS2/WS2、MoS2/WSe2异质结构。

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