大面积、高迁移率单层辉钼薄膜的可控制备与掺杂研究

Compared to zero-bandgap graphene, monolayer molybdenum disulfide (referred molybdenite) two-dimensional semiconductor has recently become hot research spots in developing logic and ultralow power devices owing to its direct bandgap of 1.9 eV. However, the growth technique of large-area, high-mobility, monolayer MoS2 films is still to be broken through, which has become a bottleneck restricting the development of molybdenite electronic devices. In order to solve this problem, firstly, after the mechanism of nucleation and growth of molybdenite layer on various hexagonal-structure material templates are systematically investigated, the van der Waals expitaxy of molybdenite films can be obtained; then, after the dynamic process of the growth and crystallization, and the uniformity of structure and properties of large-area molybdenite films are systematically investigated, and the growth parameters are fed back and optimized, large-area, high crystalline quality molybdenite film with low defect concentration, and low crystalline-boundary density can be obtained, which can effectively increase the mobility of molybdenite film; finally, the substitutional dopant element can be chosen based on theoretical calculation, and after the preferred dopant source is chosen and the doping process is optimized, the doping type (n- or p-type) and doping concentration can be controlled. This proposal has not only fundamental significance on deeply understanding the mechanisms of nucleation, growth, crystallization and doping, and the method to control the defect concentration and domain structure, but also engineering significance on developing large-area, high-mobility, and doping controllable molybdenite films.

相对于零带隙的石墨烯，单层二硫化钼（简称"辉钼"）二维晶体因具有1.9 eV直接带隙而成为当前逻辑和超低功耗器件的研究热点。然而，目前大面积、高迁移率辉钼薄膜的制备技术尚待突破，辉钼电子器件研发和工程应用受到制约。针对这一难题，本项目拟首先系统研究辉钼在具有六方结构的不同模板上的形核和生长机理，实现辉钼薄膜的范德瓦尔斯外延生长；然后，通过对大面积辉钼薄膜的生长和晶化动力学及结构和性能均一性的系统研究并优化工艺参数，实现大面积、高晶体质量、低缺陷浓度和晶界密度的大畴单晶辉钼薄膜的可控制备，从而有效提高大面积辉钼薄膜的迁移率；最后，通过理论计算筛选出辉钼替位式掺杂元素，优选掺杂源并优化掺杂工艺，实现辉钼薄膜的掺杂类型和浓度可控。本项目的研究，不仅对于辉钼薄膜的形核、生长、晶化和掺杂机理以及缺陷、晶畴控制方法的深入理解具有科学意义，而且对于大面积、高迁移率、掺杂可控的辉钼薄膜的研发具有工程意义。

在本项目的支持下，开展了以MoS2（辉钼）为典型代表的MX2二维半导体材料体系的薄膜制备技术及MX2二维半导体纳米片与石墨烯、碳纳米管等的可控复合制备技术，系统研究了MX2材料及与复合材料体系的电学性能、光电性能、光催化特性、电催化特性及电化学性能。. 采用化学气相沉积（CVD）方法，系统研究了MX2二维半导体的形核机制及生长动力学规律；通过对工艺参数的优化，实现了MoS2、MoSe2、WS2、WSe2等MX2二维半导体大畴单晶的控制制备；进一步实现了厘米级ReS2薄膜、2英寸级MoS2大面积二维半导体薄膜的可控制备；实现了大面积、少数层HfS2、MoSe2垂直纳米片薄膜的可控制备技术。采用水热或溶剂热等方法，系统研究了MoS2、WS2、WSe2、ReS2、ReSe2、NiSe2、CoSe2等少数层MX2纳米片材料，进一步实现了MX2少数层纳米片在石墨烯、碳纳米管等表面的原位复合。. 通过微纳加工工艺，研制了基于MoS2、WSe2二维半导体沟道层的场效应晶体管并研究了其电学性能。研究表明：MoS2晶体管的迁移率随温度的增加出现下降趋势，在200K以上迁移率下降趋势更加显著，MoS2晶体管室温迁移率约达到40 cm2/V.s；WSe2二维半导体晶体管具有优异的电学性能，WSe2晶体管的开关比高达10的5次方，其室温场效应迁移率高达400 cm2/V.s。. 研制了基于垂直HfS2（V-HfS2）纳米片的光电器件，研究表明该V-HfS2器件展现出优异的光学及光电特性：其在近红外到紫外区间，具有很强、很宽的吸收特性；基于V-HfS2纳米的光电传感器具有超快响应速度（24 ms）及很高灵敏度（1000）。. 研究了MX2二维半导体材料及其复合材料的光催化、电催化、电化学等多功能特性。研究表明：WSe2及复合材料具有优异的光催化性能，研制的MoSe2、WS2、WSe2、NiSe2、CoSe2等材料及复合材料具有特别优异的电催化性能；MoS2、CoS2、ReS2等材料及其复合材料还具有优异的电化学储能特性。. 在2D Materials、ACS AMI、J. Mater. Chem. A等期刊上发表了数28篇SCI论文，其中3篇论文入选ESI高被引用论文；申请了9项中国发明专利，其中3项已获得授权。