快重离子辐照二维层状纳米晶体引起的潜径迹形成和改性研究

Two-dimensional layered nano-materials have unique structure and physical properties，they are expected to be the main materials of a new generation electronic devices. However, when the thicknesses of the materials are reduced to nano-thicknesses or even monatomic layer, the performance of materials influenced by lattice defects becomes more sensitive. It becomes critical for two-dimensional layered nano-material to study defects formation and stability, as well as effects to properties. In this proposal, we focus on monatomic layer and several layers graphene and molybdenum disulfide (MoS2) of two-dimensional crystals. Experimental and theoretical studies will be carried out to clarify the mechanism of latent track formation and defect stability caused by swift heavy ion irradiation, as well as material thickness and substrate materials dependences in single layer and several layers of graphene and molybdenum disulfide. Further on, we study the influence of defects of lattice on electrical properties in graphene and molybdenum disulfide by heavy ions bombardment. It is possible by using ion beam as a control method to tune two-dimension nano-material properties. The results will provide experimental data for the application of two-dimensional nano-material in radiation environment.

二维层状纳米材料由于独特的结构和物理性质，有望成为新一代电子器件的主题材料。然而当材料的厚度减小到纳米量级甚至原子层，晶格缺陷对材料性质的影响愈加突出，所以需要通过研究掌握二维层状纳米材料中缺陷形成、稳定性以及对材料性质影响的基本规律。本课题以石墨烯和二硫化钼（MoS2）二维纳米晶体为研究对象，针对单原子层和几个原子层的薄层材料，通过高能重离子辐照材料，研究快重离子与纳米材料相互作用的微观过程和引起的宏观改性。用实验和理论方法研究快重离子在单层和几层石墨烯和二硫化钼中潜径迹的形成机理、稳定性，以及与材料厚度和衬底材料的依赖关系，获得纳米层状晶体损伤随入射离子电子能损的变化关系。进一步研究重离子在石墨烯和二硫化钼中产生缺陷对其电学性质的影响，掌握重离子引起纳米层状材料电学性质变化的规律，探索利用离子束调控二维纳米材料性质的新方法，为二维纳米材料在辐射环境下的应用提供基础数据。

二维纳米材料由于其独特的性能，在功能和结构材料领域具有广阔的应用前景, 是极具潜力的未来电子材料。与传统的Si及III-V族半导体材料相比，二维材料具有厚度可控及厚度超薄的特点，可通过人工调控将不同电学及光学性质的二维材料堆叠起来，获得性能优异的光电器件。二维纳米材料优异电学性能很大程度上取决于其完美的晶格结构，当人们开展二维纳米材料辐照效应研究时，发现辐照产生的缺陷对二维纳米材料的性能有很大影响。到目前为止，国际上研究较多的是低能重离子与二维纳米材料相互作用，缺乏快重离子辐照二维材料的实验数据。. 本课题利用兰州重离子加速器（HIRFL）提供的多种快重离子，针对石墨烯和过渡金属硫化物等二维纳米材料，开展了一系列快重离子辐照效应及材料改性研究，一方面研究了快重离子在单层和几层石墨烯及二硫化钼等二维材料中潜径迹的形成和机理，以及与材料厚度和衬底材料的依赖关系，获得了纳米层状晶体损伤随入射离子电子能损的变化关系，另一方面研究了石墨烯和二硫化钼中缺陷对电学性质的影响，得到许多有价值的实验数据和结果。通过改变重离子辐照参数，在MoS2中观测到多种潜径迹形貌，首次观测到二维层状材料二硫化钼中重离子潜径迹的精细结构，得到了径迹尺寸随入射离子电子能损的变化规律以及径迹的电子能损阈值，并揭示了MoS2中辐照损伤随材料厚度的变化规律；在MoSe2基场效应晶体管中发现，快重离子辐照引起的潜径迹在沟道中的钉扎及散射作用使得电子迁移率降低，最终导致器件性能退化；对制备出的不同结构的石墨烯场效应晶体管开展辐照实验，通过对比不同辐照参数引起的结构损伤及对石墨烯电学性能的影响，获得了石墨烯性能优化所需的最佳条件；利用Geant4和快重离子与材料作用热峰模型的理论模拟，计算出了快重离子电离径迹结构和潜径迹大小随入射离子电子能损的变化关系。研究结果为二维纳米材料在辐射环境下的应用提供基础数据，相关研究结果在中科院院网进行过报道。