二维层状材料原子尺度缺陷与微纳米尺度电学性质间的关联研究

Two-dimensional layered materials, such as graphene, single layer of Hexagonal Boron Nitride (h-BN) and Molybdenum Disulfide (MoS2), show specific electrical properties, which is very sensitive to their atomic defects, impurities and environments. This project aims to explore the inherent relationship between their atomic defects & impurities and local electrical properties by a complementary research of advanced Atomic Force Microscopy (AFM) at the submicron- & atomic-scale. The Scanning Microwave Microscopy (SMM) will be focused on characterizing and measuring their local electrical properties and parameters, such as conductivity, dielectric constant, density and distribution of charge carrier, at the submicron-scale. The real geometric atomic structures of these materials will be first determined by advanced qPlus-AFM, especially including the structural defects and impurities within them. The corresponding atomic properties, such as charged state, local dipole and polarization response, will be further titrated by the Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM) function of qPlus-AFM. The inherent relationship between the local electrical properties and atomic structural defects and impurities will be further statistically discussed in a theoretical way, which will be very important for their nanoelectronic applications.

二维层状材料,如石墨烯、单层氮化硼和单层二硫化钼等，具有不同于体材料的优异电子学性质,且可以通过样品内原子级杂质、缺陷进行调控。对于二维材料原子级缺陷和微纳米尺度电学性质的研究是国际研究热点，但两者之间的关联鲜有报道。本项目拟利用扫描微波显微术(SMM)和qPlus原子力显微术(qPlus-AFM)，分别在微纳米尺度和原子尺度研究二维层状材料的结构与电学性质，从而探索原子尺度的缺陷、杂质等如何影响微纳米尺度电学性质。基于SMM可在微纳米尺度定量测量二维层状材料的局域电学性质，如局域电导率、介电常数、载流子密度和分布等。基于qPlus-AFM可在原子尺度上确定样品中缺陷和杂质等的真实几何和化学结构、电荷态、局域偶极和极化响应等。在此基础上，结合统计手段和理论分析进一步阐明其原子尺度的结构缺陷、杂质等与微纳米尺度的电学性质的本质关系，为设计构建基于二维层状材料的新型微纳电子学器件提供理论基础。

二维层状材料体系是目前国际上的研究热点，其优异的本征物理特性，易于受到非完美晶体结构的影响，如界面应变结构、界面层插层、褶皱、内部畴界等。常规的分析测试技术方法对这些非完美结构缺乏比较有效的显微表征测试能力。根据项目计划书，本项目一方面发展了多种先进或功能化的原子探针显微成像表征测量技术方法，包括多频原子力显微术、多频静电力显微术、新型qPlus-AFM探测技术方法以及扭转剪切力显微术、扫描微波显微术、接触共振显微术和局域加热型热学探针显微方法等，为上述问题的研究提供了先进技术手段。在具体应用方面，本项目围绕上述科学问题，主要完成了：二维原子晶体在化学气相沉积中的界面应变的结构与物性调控；直接探测到了不同性质的二维原子晶体异质界面间的电荷转移及其界面插层所导致的电学性质变化；实现了二维原子晶体材料内部晶畴、晶界等结构的直接成像与性质研究等。此外，考虑到本项目的技术特色，我们还基于本项目发展的先进技术方法，开展了多方面的合作研究工作，解决合作者在研究过程中一些特殊表征测量方面的需求等。我们期待，在本项目所发展的这些先进和有特色的原子力探针显微技术方法，能够得到进一步的推广应用，推动国内相关领域的研究工作进展。