原位可控制备基于石墨烯-二硫化钼原子尺度的异质结及其光电性质的研究

The heterostructures between graphene and atomically layered two dimensional semiconductors could combine the advantages of each other, and building new concept optoelectronic devices. For example, recently, the proposer has found that the heterostructure based on graphene and monolayer MoS2 combines the high mobility of graphene with the high photo responsivity(~2200A/W) of MoS2 together, and presents ultrahigh photoresponsivity ~10^7 A/W. Furtherly, in this project, to overcome the contamination,damage and the low yeild ratio of the heterostructures during the transfer process, we will develop a method of in-situ controllable fabrication of heterostructures based on the monolayer graphene and monolayer MoS2 on SiO2 substrate by chemical vapor deposition. The vertical tunelling heterostructure will be synthesizd, where the graphene exhibits 2d superlattice structures, and the seamlessly stitched lateral heterostructure will be realized, which couldn't be generated by the transfer method. With the electric field and chemical doping, the Fermi level of the graphene and MoS2 can be tuned precisely, resulting in the modulation of the Schottky barrier height of the heterostructures, then we will build a model for the atomically layered metal-semiconductor contacts. The optoelectronic properties of the graphene-MoS2 heterostructure will be studied,and new concept optoelectronic devices could be generated. These works will pave the way for the 2d material's application in the nanoelectronic field.

石墨烯和二维半导体原子晶体异质结，有望聚中两者各自的优点，构建出新型光电子器件。例如：本申请者最近的研究表明，石墨烯和二硫化钼异质结由于集中了石墨烯 的高迁移率和二硫化钼的高光电响应度，从而呈现出更优良的光电特性。本申请项目拟在前期工作基础上，进一步研究石墨烯-二硫化钼异质结的制备方法和光电特性。针对人工转移制备异质结对样品带来污染和破坏、成功率低、且只能形成随机堆垛的不足，提出并研究利用化学气相沉积法，在二氧化硅基底上原位直接可控生长出基于单层石墨烯和单层二硫化钼的异质结，包括垂直方向的有序堆垛遂穿异质结、侧向异质结等；通过电场和掺杂的方法，精确控制石墨烯和二硫化钼的费米能级，以调节其肖脱基势垒，构建基于原子尺寸的金属-半导体接触模型；在此基础上，研究石墨烯-二硫化钼异质结的光电特性及其调控机制，构建出基于石墨烯-二硫化钼异质结的新型光电子器件，为二维材料在纳米光电子领域的应用铺平道路。

我国在“十三五规划纲要”中强调要重点支持新材料科学，尤其是以石墨烯为代表的新型二维材料。本项目以服务于国家的战略需要为宗旨，以“制备二维材料及异质结，研究并构建出基于二维材料及异质结的新型光电子器件”作为研究方向，主要解决了制备二维材料及异质结、二维材料与金属的接触等问题，并构建出高性能新型光电子器件。在本项目的资助下，项目负责人以通讯作者共发表相关论文12篇，包括Nature Communications、Advanced Materials、Nano Letters、Advanced Science、Nano Energy等影响因子大于10的论文5篇，中科院一区论文10篇，并申请2项专利，顺利完成项目既定任务。. 本项目执行的四年（2015-2018年），项目负责人所负责的课题组，实验条件和研究人员完成了从无到有的过程。目前课题组成员有在读硕士研究生4名、在读博士生4名、在站博士后8名，已具备制备材料，表征材料的形貌、光学、电性及热学等性质，利用光刻蚀和电子束刻蚀技术制备微纳新型器件，并研究其在光电及能源领域中应用的能力。项目负责人在本研究领域的影响也逐渐上升，2015年，获国家中组部“千人计划”青年人才资助。2018年，项目负责人入选全球高被引科学家之一（美国科睿唯安Clarivate Analytics基于Web of Science数据库）。. 为了加强团队和科研平台的建设，项目负责人和国际著名高校和研究机构建立国际合作，分别与新加坡国立大学、美国罗格斯大学、澳门大学建立校级合作，并于2016年11月，教育部立项建设深圳大学“二维材料光电科技国际合作联合实验室”。为了扩大国际合作实验室的学术影响，2018年10月，项目负责人作为大会主席和筹办负责人，成功地在深圳大学举办了第一届国际“低维材料及光电子学”学术会议，提高了实验室在国际学术界的影响。. 总之，非常感谢基金委对项目负责人的支持，项目负责人也会继续努力的工作，服务于国家的战略需求，争取做出更有影响力的成果，为国家和人民做出贡献。