基于二维半导体晶体材料的新型高效发光器件

Along with the increasing activities of human beings, the contradiction between demand and supply of resources will become more prominent and the environment situation is getting worse. How to reconcile the growing energy & resource demand with the environmental protection? Herein lays our answer: innovate and devising revolutionary techniques of achieving high energy efficiency using the least resources enabled by our scientific breakthroughs. In this proposal, we propose to synthesize large-area two-dimensional (2D) semiconducting crystals, especially transition metal dichalcogenide (TMD) layers, study their optical and optoelectronic properties and fabricate light emitting devices using 2D TMDs. By using physical/chemical absorption or introducing dopant during growth stage, it is expected to modulate the carrier concentration, improve carrier mobility, reduce contact resistance between 2D semiconductor and metal electrode, and finally improve the performance of the 2D light emitting devices. The targeted devices are ultrathin light emitting diodes (LEDs), which possesses high light extraction and ultimate reduction in material usage. This work can provide theoretical and experimental guidance for the future practical applications of the atomically thin 2D LEDs, which could play a game-changing role in the worldwide lighting and display industry.

随着日益增多的人类活动，各种资源供求矛盾越加突出，环境日趋恶化。实现用最少的资源获取高能源效率成为满足人类不断增长的能源和资源的需求并兼顾环境保护的有效途径之一。本项目拟通过研究化学气相沉积法制备出的二维半导体材料（主要是二维过渡金属硫化物）的光学、光电特性，设计制备基于二维半导体材料的新型高效二维发光器件。以二维半导体材料作为发光媒介的发光器件不仅将大大降低对原材料的消耗，而且减少层间界面数，降低光的限域效应和再吸收，有望实现大幅度增加出光效率和减弱热损耗。探寻化学气相沉积法制备大尺寸、高质量二维过渡金属硫化物的参数和机制，系统研究所制备的二维过渡金属硫化物的发光特性，阐明其发光机制，为将来二维发光二极管的实际应用提供理论和实验指导。通过表面吸附或生长阶段引入掺杂元素实现二维半导体的可控掺杂，以期调控其载流子种类和浓度，提高迁移率，减小其与金属电极间的接触电阻，提高二维发光器件的性能。

以单层过渡金属硫族化合物如MoS2, WS2, MoSe2 和 WSe2等为代表的二维半导体材料，因其本征的直接能量带隙、原子层厚度和较高量子发光效率，成为研发新型微电子及光电子器件的最佳选择。以单层或少层二维半导体材料作为发光媒介的二维发光二极管将大大降低对原材料的消耗，减少层间界面数量，有望大幅度增加出光效率和减弱热损耗。然而目前二维半导体材料的实际应用发展仍然面临着巨大的挑战，主要是大面积高质量二维半导体及其异质结构的可控制备和掺杂技术、二维半导体及其异质结构的物性调控和界面问题、基于二维半导体及其异质结构的新型器件设计开发、二维半导体工艺与传统半导体工艺兼容性等。本项目围绕二维半导体材料的生长制备工艺、物性的精确表征与调控、高效的光电器件性能等主题展开，系统探索了化学气相法生长制备高质量二维过渡金属硫化物的方法，提出了衬底预处理工艺与化学气相沉积相结合的生长策略，成功制备出高质量单层MoS2，其发光强度比未进行硫蒸气预处理衬底上的样品增强了20多倍，载流子迁移率可高达40 cm2/Vs，是在未硫化处理衬底上的2-3倍，同时极大提升了二维半导体材料与传统半导体工艺的兼容性；率先在氮化硼衬底上外延制备出超高光学质量单层过渡金属硫化物WS2和MoS2，发光峰半峰宽仅为7.2 meV和5.6 meV；通过一系列表征手段揭示了所制备的二维过渡金属硫化物的物理性质：首次实验上报道了二维过渡金属硫族化合物的平面各向异性热传导、提出了声子在双层二硫化钨中反常谷极化的参与机制等；并将其应用于高性能光电器件，提出了几种基于二维材料的光电探测器原型器件，实现了高性能光电探测。我们初步研究了基于全二维材料的发光器件并获得电致发光光谱。该项目的研究为获得高质量二维过渡金属硫族化合物及其异质结构提供了方法和思路，为将来设计开发基于该材料的高性能、低成本的光电器件提供了实验基础与指导思路。