二维原子晶体碲化钼的相控制生长及金属接触问题研究

Two-dimensional (2D) molybdenum ditelluride (MoTe2) is nowadays of great research interest in condensed matter physics and materials science for its exotic properties and potential applications. Its Schottky contacts with metal electrodes and resulting large contact resistances, however, significantly limit the device performance, as well as its future development. To solve this problem, a research method based on phase-controlled growth of MoTe2 is proposed. The lateral heterophase homojunction of MoTe2 is demonstrated via molecular beam epitaxy (MBE) growth, in which the semiconducting 2H-phase can serve as a channel, while the semi-metallic 1T'-phase is promising as an effective buffer contact layer to the metal electrodes in the field effect transistor (FET). By this means, a high-performance 2D device with an ideal ohmic contact can be fabricated, and the electronic transport properties of MoTe2 can be further studied. This research project mainly focuses on some key problems of science and technology including exploring the mechanism in phase-controlled growth of MoTe2, investigating the interfaces and contacts between 2D semiconductors and 3D metal electrodes, and forming the corresponding theoretical and experimental methods. This project will be of great significance for promoting the research in transition metal dichalcogenides (TMDs), and achieving their device applications in next-generation electronics and optoelectronics.

二维原子晶体碲化钼具有新奇的量子特性和潜在的应用价值，已经成为当前凝聚态物理和材料科学的研究热点之一。然而，目前碲化钼与金属电极间的肖特基接触，严重制约了其器件性能的提高和应用发展。针对这一问题，本项目提出一种基于碲化钼相控制生长实现金属欧姆接触的方法。通过分子束外延生长，构建碲化钼平面异相同质结，并基于密度泛函理论，对不同相结构的碲化钼性能进行第一性原理计算；用其中半导体性的2H相碲化钼作为场效应器件的沟道材料，半金属性的1T'相作为电极接触的缓冲层，实现二维原子晶体碲化钼与金属电极的欧姆接触，获得高质量的碲化钼场效应晶体管，并分析碲化钼的电子输运和光电响应性能，探索其中新奇的物理效应与现象。重点解决碲化钼相控制生长机制、二维半导体与三维金属界面及接触、器件制备及其电子输运分析等关键科学问题，形成相应的实验和理论方法。本研究对于推动二维过渡金属硫族化合物电子、光电子器件发展具有重要意义。

二维原子晶体具有新奇的量子特性和潜在的应用价值，已经成为当前凝聚态物理和材料科学的研究热点之一。然而，目前二维材料与金属电极间的肖特基势垒，严重制约了其器件性能的提高和应用发展。针对这一问题，本项目开展了二维原子晶体碲化钼的相控制生长及金属接触问题研究。.利用分子束外延-X射线光电子能谱-扫描隧道显微镜集成系统，获得了低维碲化钼材料在石墨烯衬底上的可控生长条件。Mo-Te二元化合物的生长出现明显的温度相关性。其中，在较低生长温度时，得到二维MoTe2薄膜。在生长的二维MoTe2薄膜中，同时存在半导体性的2H相与半金属性的1T'相，并在平面内形成了原子级连续的2H-1T' MoTe2异相同质结。.此外，探索了化学气相沉积和激光辐照的方法。设计了新的化学气相沉积生长系统，采用Te粉作为Te源，MoO3粉作为Mo源，NaCl粉作为反应催化剂，SiO2 (400 nm)/Si或者蓝宝石作为衬底。在不同区域观察到了2H和1T'的MoTe2。激光辐照的方法可以将半导体性的2H相MoTe2转变为金属性的1T’相，拉曼光谱以及X射线光电子能谱可以对辐照前后的两种相进行表征区分，辐照时间和辐照强度都会对材料的相变结果有不同的影响，通过退火处理会让相变MoTe2材料的晶格更加稳定。.对本征碲化钼晶体管进行了电子输运性能研究，发现厚层与块体MoTe2具有n型为主的双极性特性，少层为p型为主的双极性特征，单层与双层则为单极性p型。采用紫外臭氧对MoTe2进行处理，实现了MoTe2的简并空穴掺杂（浓度~1.0×10^13 cm-2），迁移率提高到101.4 cm2/(V·s)，归因于表面电荷转移导致的肖特基势垒减小。对应的接触电阻可减小5个数量级，输出特性曲线在低温（90 K）下仍然是线性对称的，表明形成更好的接触。.结合MoTe2材料的p型主导导电特性，利用MgO的表面电子掺杂成功制备了p-n型互补高增益逻辑器件，经测试其电压增益高达26，制备的顶栅器件开关比达2.1×10^4。利用MgO的表面电子掺杂成功制备了MoTe2的面内p-n结器件，其p-n结结区具有明显的光电响应，光电响应度达1.2mA/W。.本研究对于推动二维过渡金属硫族化合物电子、光电子器件发展具有重要意义。