过渡金属硫族化物范德瓦尔斯异质结生长与电学及光电性质研究

Van der Waals heterojunction is of great interest in the region of low-dimensional materials, which provides a variety of fascinating properties, including strong light-matter interactions, ultrafast charge transfer capability and strong interlayer coupling action. Heterostructure engineering of atomically thin transition metal dichalcogenides (TMDs) offers an exciting opportunity to fabricate atomically sharp interfaces for highly tunable electronic and optoelectronic devices. These van der Waals heterojunctions stacked by various TMDs possess type-II structure, facilitating efficient photoexcited electron-hole separation.. The one-step chemical vapor deposition (CVD) has been shown to grow smaller areas of both in-plane as well as vertically stacked van der Waals heterojunctions. However, the direct one-step CVD comes with its own set of disadvantages. Firstly, smaller domain sizes greatly limit the applications because they complicate device fabrication. In addition, with a single step there is always a possibility for unpredictable growth, resulting in a thermodynamically preferred alloy. Moreover, the design of energy band structure and device structure seriously affect the electrical and photoelectric properties of van der Waals heterojunction. We are planning to combine CVD method with van der Waals epitaxy growth (VDEW) to prepare van der Waals heterojunction of TMDs, and to achieve the growth of the heterojunctions with large area, high quality, controllable number of layer under optimized growth conditions. We control the properties of heterojunction through the design of energy band structure and device structure, and we want to obtain TMDs based van der Waals heterojunction with excellent electrical and photoelectric properties, then applying in the photodetector, photoswitch, field-effect transistor, memory devices and nanosensors.

范德瓦尔斯异质结具有强烈的层间耦合作用和光-物质相互作用等优良的特性，成为了低维材料领域的研究热点。由不同的过渡金属硫族化物组成的范德瓦尔斯异质结,表现出了电子和空穴可自动分离的Ⅱ型电子结构，使其在纳米电子和光电子领域具有重要的应用价值。.利用一步化学气相沉积法可以制备范德瓦尔斯异质结。但晶粒尺寸较小，使后期器件的制备过程复杂化。并且，一步生长过程中很可能出现材料合金化，而不能得到范德瓦尔斯异质结。此外，能带结构与器件结构的设计也严重影响范德瓦尔斯异质结的电学与光电性质。本项目拟通过化学气相沉积与范德瓦尔斯外延生长相结合的方法，在优化生长条件的基础上，制备大面积、高质量、层数可控的过渡金属硫族化物范德瓦尔斯异质结。通过能带结构及器件结构设计，调控异质结的电学、光电特性。从而，获得具有优良电学和光电性质的过渡金属硫族化物范德瓦尔斯异质结，为光探测器、光开关、场效应管等器件的设计奠定重要基础。

半导体异质结是高频晶体管和光电子器件的关键组成部分。与体相的半导体异质结相比，二维范德瓦尔斯异质结具有高的界面质量和原子薄层的厚度，可以实现其电学特性的高效静电调控；具有强烈的光——物质相互作用，提高了其光子吸收和光生载流子的产生能力。特别是P-N结型二维范德瓦尔斯异质结，其内部存在两种类型的导电沟道，在不同栅压下，两个沟道分别贡献整个系统中的电荷输运，可以实现独特的双极性行为；其内部形成内电场，促进光生载流子的有效分离，可以实现自驱动的光电流产生。另外，具有Ⅱ型结构的二维范德瓦尔斯异质结，其内部光生电子和空穴也可自动分离。因此，可以通过构筑P-N结型或II型结构二维范德瓦尔斯异质结，实现可调的电学特性以及自驱动的光电特性，使其在高性能电子和光电子器件领域具有重要的应用价值。. 本项目采用化学气相沉积与范德瓦尔斯外延生长相结合的方法，通过优化催化剂、温度、载气、衬底、生长时间等生长条件，制备出了大面积、高质量、层数可控的过渡金属硫族化物范德瓦尔斯异质结。通过设计II型能带结构或P-N结构，以及器件结构（如石墨烯电极层、不对称金属电极、离子液体顶电极等），调控了过渡金属硫族化物异质结的电学、光电特性。为过渡金属硫族化物异质结在光探测器、光开关、场效应管、记忆器件和纳米传感器等微纳光电领域的应用奠定重要基础。. 我们通过构筑具有P-N结型或Ⅱ型结构的二维范德瓦尔斯异质结（包括SnSe/MoS2、MoTe2/MoS2、ReSe2/WS2和GeS/SnS等），设计了具有独特的双极性行为、栅极可调的整流特性以及自驱动的光电特性的异质结场效应晶体管，并实现了高的光响应、高的外量子效率及快速的开关特性。迄今为止共发表SCI论文12篇，主要结果发表在ACS Nano、Advanced Functional Materials、Applied Physics Reviews、ACS Applied Materials & Interfaces等国际著名期刊上，还有部分研究成果正在整理发表过程中。