二维金属-半导体异质结可控制备及其光电性质的研究

Semiconductors of the transition metal dichalcogenide family including molybdenum disulphide (MoS2), tungsten diselenide (WSe2) possess unique optical and electrical properties enabling them to be promising candidate in advanced optoelectronics such as solar cells, light detection, light emitting diodes. The performance of electronic and optoelectronic devices based on two-dimensional materials is significantly affected by the electrical contacts. Based on our previous study, ohmic contact by the choice of two dimensional metallic NbS2 has been proposed. The lateral metal-semi-metal structure can be directly synthesized fulfilling the requirements to realize efficient charge carrier injection in transition metal dichalcogenides. The physics of interfaces at the contact region will be studied which will pave the way towards realizing optimal contacts for two-dimensional optoelectronics and circuits.

以二硫化钼、二硒化钨为代表的二维单层半导体材料具有诸多优异的光电特性，尤其是以二维半导体材料构建的异质结在太阳能电池、光电检测、发光二极管等方面具有广泛的应用前景。本申请人拟在前期利用化学气相沉积合成二维半导体异质结的基础上，针对常见金属材料与二维半导体材料难以形成欧姆接触且机械性能不佳的不足，提出并研究利用化学气相沉积方法可控制备二维金属材料如二硫化铌（NbS2）等，并通过边界外延生长技术形成“金属-半导体-金属”异质结构，以调节电极材料与半导体功能材料接触势垒高度，从而构建高性能全二维材料的新型柔性光电器件，为二维材料在纳米电子领域的应用铺平道路。

利用化学气相沉积合成二维材料及其异质结构具有更高的可控性，并可以实现大面积制备，成为目前二维半导体材料电学特性研究及未来实际应用不可或缺的技术基础。金属材料与半导体材料接触所产生的肖特基势垒高度决定了载流子在流经电极与半导体界面时的难易程度，因而对器件性能起到重要的影响。通过可控二维金属-半导体异质结的原位生长与二维半导体沟道材料形成无间隙的、具有欧姆接触特性的新型二维层状电极。利用光学显微镜、共焦拉曼光谱、原子力显微镜、导电度测试等对制备的材料进行表征，确认其制备材料的品质。通过调整反应前驱物、反应温度、压强、流量等进一步优化生长条件，获得高品质二维层状金属/半导体二维材料结构。研究发现金属性二维材料电极与二维半导体材料界面主要有两种主要形式，即垂直堆叠及侧向接触。在金属性二维材料外延生长基础上结合选择性刻蚀技术，可将二维半导体选择性的刻蚀形成沟道，利用化学气相沉积再次生长侧向二维金属材料，形成无缝连接的、平面内、侧向二维金属-半导体异质结，可控的构建出以二维金属材料为电极，二维半导体材料为沟道的新型器件。二维金属材料和二维半导体材料异质结不同于传统块体金属-半导体接触形成的异质结，通过不同电学特性的层状材料在垂直或水平晶向上互堆叠，其电学、光学及载流子传输特性可因选择的材料及堆叠形式而改变。.二维金属和半导体异质结的可控制备，避免了传统利用人工转移机械剥离二维材料的方法，无需从生长基底到目标基底的转移，从而大幅降低制备过程对样品的污染和破坏以及转移过程的化学残留物。实现了制备无缝连接的、平面内异质结，为构建复杂的、基于二维材料的电子电路奠定了重要基础。