厚子层厚度二硫化钼纳米器件及其性能调控研究

摘要

1959年，物理学家Richard Feynman在其著名的演讲“下面的空间还很大”中说到，“如果层状结构中每一层都采用最适合的排列方式进行排列，那能用来做什么呢？”。自二维层状材料(2DLMs)发现以来，离这个问题的答案已然越来越近。人们将2DLMs进行人工纳米复合，制备出具有不同功能特性的范德华异质结构(vdWHs)，并发展出各种新奇的物理性能。vdWHs器件有望成为下一代纳米电子学器件。二硫化钼(MoS2)以其合适的带隙宽度与2DLMs独有的特性而受到广泛的关注。本文以MoS2为基制备出具有特殊性能的场效应管并研究其输运特性，主要包括:
　　基于传统干转印技术，发展出一种能够将超薄二维层状材料置于vdWHs的最项层的方法，即翻转范德华堆垛转印技术。该方法可摆脱2DLM的厚度、种类、尺寸形状等因素，能够快速、简洁、高效地获得所需vdWHs，且该vdWHs顶层超薄2DLM表面未受到任何污染，且几乎无气泡褶皱出现。该方法为对2DLM表面洁净度要求很高的器件的制备提供了一个全新的实验手段，如扫描隧道显微镜测量所需纯净表面，以及作为隧穿电极的中间层等。
　　利用上述方法制备出了以超薄h-BN为隧穿层的少数层MoS2隧穿接触场效应管(TC-FETs)。超薄h-BN隧穿层的存在，抑制了肖特基势垒的产生，摆脱了费米能级钉扎，实现对沟道化学势的均一调节。研究发现，在门电压调控下，成功获得了在有限正源漏电压下的MoS2TC-FETs的双极特性;同时该器件还具备门电压可调的双向整流特性。通过门电压对器件的调节，器件可表现出pn二极管、闭态、np二极管、全开四种不同的工作组态。并采用第一性原理分析发现该现象符合自由能带模型。该器件的成功制备为未来将原子级厚度半导体材料应用于逻辑器件及高性能门开关器件中提供新的思路。
　　利用PZT铁电薄膜制备基于铁电薄膜调控的MoS2FETs。初步研究发现该器件在负偏压下表现为一种非常新颖的双阶式场效应管，亚阈值摆幅可达125mV/dec;研究中发现该器件在测量过程中出现了由于界面电荷陷阱导致的反向回滞现象。若在PZT与MoS2界面加入一层缓冲层，可解决反回滞现象，提高器件质量，获得超小亚阈值摆幅。

目录

声明

摘要

1．1 二维层状材料的发现

1．2 石墨烯(Graphene)

1．3 六方氮化硼(h-BN)

1．4 二硫化钼(MoS2)

1．4．2 基于MoS2的谷电子学

1．4．3 MoS2压电性

1．4．4 MoS2超导转变

1．4．5 MoS2的应用

1．5 范德华异质结构(vdWHs)

1．5．1 vdWHs的发展

1．5．2 2D-2D vdWHs制备方法

1．5．3 2D-2D vdWHs器件应用

1．6 肖特基势垒

1．7 离子液体工程

1．8 本论文的研究内容和意义

第2章 二维材料表征与器件的制备实验仪器

2．1 引言

2．2 样品形貌表征

2．2．1 光学显微镜

2．2．2 原子力显微镜

2．3 带温控单元高倍显微镜探针台

2．4 微纳器件的制备

2．4．1 电子束曝光

2．4．2 金属电极制备

2．5 高真空退火炉

2．6 金丝焊线机(wire bonder)

2．7 低温变场测量装置

2．8 本章小结

第3章 一种将超薄二维材料置顶的方法

3．1 引言

3．2 翻转范德华堆垛转印技术

3．2．1 操作工艺流程

3．2．2 样品形貌电学表征

3．2．3 不同超薄2DLMs双层异质结

3．2．4 超薄2DLMs置顶多层异质结

3．3 优点及拟解决问题

3．4 本章小结

第4章 门电压可控MoS2双向整流器件

4．1 引言

4．2 器件制备与表征

4．2．1 器件的设计与制备

4．2．2 器件的表征

4．3 常规MoS2场效应管

4．4 隧穿MoS2场效应管

4．4．1 MoS2 TC-FET中转移曲线表征

4．4．2 MoS2 TC-FETs中IV曲线表征

4．4．3 沟道面积与源漏电压方向的影响

4．4．4 变温电输运性能

4．4．5 整流特性表征

4．4．6 回滞现象研究

4．5 第一性原理定性分析

4．5．1 结构配置

4．5．2 驰豫极限

4．5．3 隧穿势垒

4．5．4 禁带宽度及SB-FETs输运性能

4．5．5 MoS2 TC-FET输运性能

4．6 本章小结

第5章 基于铁电调控MoS2非易失性场效应管

5．1 引言

5．2 器件制备

5．2．1 电极制备与初步测量

5．2．2 转移MoS2／h-BN异质结

5．3 室温表征

5．4 低温表征

5．4．1 正偏压变温转移曲线

5．4．2 PZT薄膜变温铁电性

5．4．3 负偏压变温转移曲线

5．4．4 变温IV曲线

5．5 拟解决方案

5．6 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果