有机杂化类石墨烯材料的能带工程和场效应器件研究

Graphene-like two-dimensional nanomaterials such as MoS2 and WSe2, are promising alternatives to Si for next generation transistors because of their fascinating properties and atomic thickness. Mobility and on/off current ratio of graphene-like devices are not stable under ambient conditions. All those problems can be solved by modulating the band structure of 2D materials. But until now, there was only few methods to realize this. By introducing various organic function groups or organic semiconductors thin films on top of surface of those graphene-like 2D materials, the band structures of 2D materials can be optimized, and high performance devices with high mobility, on/off current ratio and stability will be obtained. Carrier transport and properties-structure relationship in the hybrids will be fully investigated in this project. This is a cross-disciplinary research project involving band engineering, transistor interface engineering and molecular engineering, and it is significant for the research of 2D materials.

近些年来，以二硫化钼、二硒化钨为代表的类石墨烯二维纳米材料由于其优异的性能和超薄的尺寸被认为是最有可能替代硅的下一代电子材料。然而现阶段类石墨烯材料器件性能还不够高，迁移率和开关比在空气中不稳定，难以多功能化。这些问题都有可能通过调控能带结构的方法来解决和优化，但是关于类石墨烯材料能带调控的手段十分有限，我们结合本实验室在有机电子学方面的研究优势，计划用有机杂化的方法来对类石墨烯材料进行表面修饰，进而调控、优化类石墨烯材料的能带结构，并最终构筑成高迁移率，高开关比，高稳定性的多功能类石墨烯场效应器件。进而从分子工程学角度研究有机杂化类石墨烯材料的构效关系，并更深入的研究载流子在杂化材料中的传输机理。这一研究涉及到能带工程，半导体界面工程以及分子工程学领域，是一项集系统性、探索性和交叉性于一体的基础研究课题，对二维材料的基础研究具有重要的意义。

我们结合本实验室在有机电子学方面的研究优势，用自组装的方法来对类石墨烯材料进行表面修饰，进而调控、优化类石墨烯材料的能带结构，并最终构筑成高迁移率，高开关比，高稳定性的多功能类石墨烯场效应器件。.1，.我们开发了一种简便的溶液诱导组装方法，首次可以几乎无损地获得本征TMDs纳米卷。仅将一滴乙醇溶液，滴到CVD生长的二维材料表面，在5秒钟内就获得了高质量的TMD纳米卷，收率接近100%。独特的自封装结构使TMDs纳米卷展示了更高的光、电稳定性。此外，基于其内部开放的拓扑结构，以纳米卷为载体，在其间隙可调的层间负载了有机半导体分子、聚合物等功能分子对纳米卷进行有机杂化，制备了在分子水平上复合的有机杂化异质TMDs纳米卷。.2，我们利用化学气相沉积法（CVD）制备的大面积超平单分子层MoS2做为工作电极，通过电化学原子力显微镜（EC-AFM）的实时监测，揭示了充放电过程中界面SEI膜以及电极结构的动态演化与反应机理。首次原位观察到氟代碳酸乙烯酯（FEC）添加剂诱发SEI膜（初始厚度约为0.7±0.1 nm，充电过程保持1.5±0.7 nm）的初始成核、生长和形成过程，揭示了FEC对电池性能优化在纳米尺度上的表面效应。在线追踪到锂化过程中MoS2电极因相转变（2H MoS2到1T LixMoS2）应力释放而产生的褶皱结构的演化行为，阐述了MoS2电极材料的本征柔韧性以及电池的容量衰减原理与反应失效机制，并从纳米尺度上探究缺陷对电极结构与反应动力学关系的影响。.3，.二维材料的大面积薄膜一般为多晶组成，其电子输运行为极大的受限于晶畴的大小和晶界的多少。然而二维材料的晶界很难用常规的表征直接观察到，晶界的表征一直是二维材料研究中的重要科学问题。最近我们发现了一种简单的方法，仅仅通过在100摄氏度下蒸镀30纳米厚的金薄膜，可以直接观察到在晶界处，由于金在二维材料表面外延生长导致的晶粒变大，在光学显微镜下可直接观测到二维晶体的晶界。.4，发现了一种简单方法，利用超薄切片机，直接将层状块体材料切割制备了高质量单层单晶二维量子点。所制备的二维量子点具有本征的表面，高质量，高单原子层产率和高光致发光量子产率，其中WS2的最高光致发光量子产率为18%，具有良好的生物相容性和低毒性，以及良好的细胞通透性，可作为荧光标记剂用于体外成像。