基于掺杂调控二维过渡金属硫族化物的电磁学性质和自旋轨道转矩器件应用的研究

2D transition metal dichalcogenides possess superior properties of layer number modulation, mobilities, flexibility and novel valley properties. Molecular doping, covalent or non-covalent, appear as convenient, high doping efficiency, and low impact on the mobility; thus is very promising in modulation of the properties of TMDCs. People do not have very clear picture about the influence of molecular doping on the electro-magneto-transport properties and the spin-orbit-valley coupling properties. And this knowledge is the key factor for the application of 2D TMDCs materials. Therefore, it is of great importance to develop controllable and stable molecular doping modulation of 2D TMDCs. This project aims to develop stable, controllable, and high quality synthesis of TMDCs materials, investigate how the molecular doping affect the properties of electro-magneto-transport and spin-orbit-valley couplings in the 2D TMDCs in depth. Furthermore, we will carry out fabricating novel spintronic device of SOT with doped TMDCs, and investigate how the properties, e.g. conductivity, influence the performance of the SOT device. Finally, we want to bridge “the acquisition of materials-knowledge of properties-device application” relationship.

二维过渡金属硫族化物（TMDCs)具有良好的层数调控性、电学、柔性性质，奇异的能谷性质。而小分子共价或非共价的掺杂，具有方便、掺杂浓度高、对迁移率影响小等优点；其对TMDCs性质的调控仍然有很大的挖掘空间。人们对于二维过渡金属硫族化物（TMDCs）材料随掺杂而发生的电磁输运性质和自旋-轨道-能谷耦合作用性质的改变仍然不是很清楚，而这些知识是二维材料进入实际应用的关键因素。因此，发展稳定可控高质量的分子掺杂性质调控对于二维过渡金属硫族化物的应用发展非常重要。本项目立足于稳定可控高质量地生长TMDCs材料，深入探究分子掺杂对TMDCs材料的输运性质以及自旋-轨道-能谷耦合作用性质的调控，获取相关的知识。并探索将掺杂TMDCs应用于新型的自旋电子学器件(SOT)的可能性和电磁性质例如电导率对于器件电、磁性能的影响，建立从材料获取-测量性质获取知识-器件应用的通路。

二维过渡金属硫族化物（TMDs）展现了一系列的特殊性质，包括层数依赖性、低维数下的带隙存在性、组分多样性、能谷与旋光性质等，从而在未来电子学、光电子学领域具有广泛的潜在应用，是当前低维材料研究的热点。本项目围绕二维过渡金属硫族化物（TMDs）的可控制备、可控转移和器件构筑方面展开。在制备合成方面，发展了分形分叉状二维TMDs的可控制备及以此为基础明晰了二维TMDs的生长机理，发展了大尺寸二维TMDs单晶的制备方法；发展了二维TMDs合金的制备方法；发展了利用确定晶界位置的TMDs制作低功耗后摩尔忆阻器件的可控制备方法；发展了利用纳米结构阵列和空间限域结合的“面对面”可控生长掺杂TMDs合金及异质结的制备方法，具有好的可控性；发展了二维氧化物的可控制备。在可控转移方面，发明了液氮和离子插层处理结合掺杂小分子的高分子复合物作为转移介质进行二维TMDs高保真转移的方法，为高品质器件制备铺平了道路。在器件制备方面，利用确定位置的晶界制作低功耗后摩尔忆阻器件；利用制备的材料实现了高达25 ps超快光电响应器件，并探究了相关机理；利用石墨烯量子点和石墨烯/硅结构制备高性能紫外光电探测器。发表文章8篇（其中3篇中科院一区文章），申请专利8篇（已授权3篇），指导博士后及研究生4位。本项目在二维材料的可控制备、掺杂、可控转移及高性能器件制备方面取得了一系列成果，深入探究了其中的物理化学，为二维TMDs的未来应用铺平了道路。