基于压电驻极体材料调控的超灵敏二硫化钼应力传感器的设计及性能研究

Monolayer molybdenum disulfide (MoS2) provides potential application prospect for sensors due to its high surface to volume ratios, excellent electrical mechanical properties, outstanding flexibility and super transparency. In this project, the large-area monolayer MoS2 can be grown on SiO2/Si substrate by chemical vapor deposition method. A new Au peel-off method will be used to fabricate the MoS2 field effect transistor (FET) with ultra-clean surface. The piezo-electret can be used as the gate material to realize the regulation of the device performance by strain. According to the repeatable variation of the optical and electrical property of the device gated by the piezo-electret, the high sensitive, short response time and long-life strain sensor based on MoS2 can be obtained. In additon, the uniform large-area integrated MoS2 FET devices array on flexible substrate will realize the response to strain distribution in real time, which suggests great potential in flexible touch panel and artificial electronic skin applications in future.

单层二硫化钼（MoS2）作为二维材料的典型代表，由于其所具有的超薄、高表体比、优异的电机械性能、良好的柔韧性和高透明度等特性为其在传感器领域的广泛应用提供了可能。本项目以化学气相沉积法在氧化硅衬底上生长得到的大面积均匀单层二硫化钼为基础，利用一种新的金辅助机械剥离的方法加工得到具有超洁净表面的二硫化钼场效应晶体管。利用压电驻极体材料作为栅极，实现了利用外界应力变化对器件电学性能的调控。针对二硫化钼场效应晶体管光学、电学性能在不同应变环境下稳定可重复的变化，得到灵敏度高、响应时间短、使用寿命长的二硫化钼应力传感器。通过电路设计，在柔性衬底上加工得到大面积性能稳定的集成二硫化钼应力传感器阵列，实现对外界应力分布的实时响应，为二硫化钼应力传感器在未来柔性触摸屏、人造电子皮肤等领域的应用提供了可能。

由于单晶中奇数层二硫化钼的精确制备和完美金属触点的构建都存在困难，压电调制难以实现。因此，开发一种简单、通用的方法来实现二维材料基半导体器件的压电调制是至关重要的。通过串联连接压电材料和半导体器件的电容耦合为控制半导体器件中的电荷传输提供了另一种方法。本项目中通过对压电驻极体材料P(VDF-TrFE)与二硫化钼场效应晶体管的电容耦合，从而实现了对器件传输特性的静态和动态压电调控。一方面，压电驻极体中排列的偶极子引起的剩余极化可以静态调控二硫化钼沟道的费米能级，通过预极化电压的改变，实现对器件初始电性能的两个数量级的调制。另一方面，外部拉伸/压缩应变可以进一步增强/削弱压电驻极体中偶极子的排布，并导致不同的压电势，从而影响二硫化钼器件的能带弯曲，进而可以得到高灵敏度的应变传感器（灵敏因子~4800）。器件的开关速度可以达到0.15 s且具有良好的稳定性（超过1000次循环）。除此之外，通过光致发光光谱首次观察到MoS2通道发光的压电势调制。当施加在压电驻极体上的应变增加到1.2%时，MoS2的光致发光峰出现了约14 meV的显著蓝移。二维纳米材料的静态和动态压电调制在可调谐半导体器件、柔性电子学、高灵敏度机械传感器和人机界面等方面具有重要意义。