纳米尺度范德华异质结的电学与光电子学特性研究

发布时间：2020-07-30 00:33

【摘要】：PN结是电子学和光电子学器件的核心部件。随着器件的尺寸越来越小,纳米尺度PN异质结的研究显得尤为重要。然而,因为悬挂键和晶格失配,传统材料很难实现原子级平整的异质结界面,限制了纳米尺度PN异质结的发展。二维材料是一类层间依靠范德华力结合在一起的表面无悬挂键的层状材料。二维材料通过简单的堆叠,就可以实现各种功能的原子级平整的异质结。因此,二维材料为我们研究纳米尺度的异质结提供了理想的平台。本论文主要研究三种不同类型的范德华异质结。三个异质结都展现了独特的电学和光电子学特性,证明纳米尺度范德华异质结是研究新原理器件和物理机制的有效手段。通过对异质结性能的表征,证明纳米尺度范德华异质结在纳米电子学和光电子学领域拥有巨大的应用前景。本论文首先介绍石墨烯(graphene)/二硒化钨(WSe2)范德华异质结中的整流特性和极性反转特性,并介绍该异质结的优异光伏探测性能。该异质结在零偏压下的光响应率可以达到66.2mA/W,比探测率可以达到1013cm Hz1/2/W。然后介绍黑砷磷(b-AsP)/二硫化钼(MoS2)异质结的光电特性。利用b-AsP/MoS2异质结为例,我们提出了一个普适方法来提高室温中红外光电探测器的性能。宽带隙与窄带隙材料堆叠而成的二维异质结红外探测器,可以极大地抑制暗电流和噪声,大幅提升器件的性能。基于b-AsP/MoS2异质结探测器的性能超过了现有的商用室温中红外探测器的性能。最后介绍硒化铟(InSe)/黑磷(BP)异质结独特的电学和光电性能。在InSe/BP异质结中,我们首次观测到弹道雪崩现象,并基于此现象制作了弹道雪崩光电探测器和弹道雪崩场效应晶体管。基于弹道雪崩机制的中红外探测器展现了极高的光子放大倍数,噪声可以低于传统雪崩探测器的理论极限。基于弹道雪崩机制的场效应晶体管的平均亚阈值摆幅可以达到0.25mV/dec。为了证明该雪崩探测器的工作机制是弹道雪崩,我们测试了 BP垂直方向的法布里-波罗(Fabry-Perot)干涉图案,直接证明了载流子在BP垂直方向的输运是弹道输运。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O475
【图文】：

短沟道,器件,二维材料,异质结界面

率远高于相同厚度的传统材料，很容易堆叠形成各种功能的异质结器件。而且原逡逑子层厚度的二维材料的掺杂可以通过栅极电压静电掺杂实现，不需要原子的替换，逡逑为原子尺度ＰＮ异质结的实现提供了可能［９］。图１．２给出了传统材料异质结界面逡逑与二维材料异质结界面的透射电子显微镜（ＴＥＭ）图片。传统材料的异质结界面逡逑存在明显的晶格失配和缺陷，相反二维材料异质结界面却展现了原子级平整的异逡逑质结界面。所以，二维材料异质结为我们研究纳米尺度的ＰＮ结的本征性质提供逡逑了可能。通过堆叠二维材料制备纳米尺度范德华异质结，我们不仅可以研究一些逡逑２逡逑

异质结界面,二维材料,传统材料

ｔｉｍｅ邋（ｓ）逦（ａ．ｕ）逡逑图１．１掺杂对短沟道器件的影响。ａ，短沟道器件的结构图。栅极用红色区域表逡逑示，栅极的宽度是３０邋ｎｍ。灰色部分为重掺杂的硅，用来做接触［３］。ｂ，根据掺逡逑杂浓度模拟得到的砷原子分布图［３］。ｃ，相同掺杂情况下器件的场效应曲线。虚逡逑线是表现最好的场效应曲线，对应的开启电压在－０．５邋Ｖ，如箭头所示。多数器件逡逑的场效应曲线如红色和蓝色实线所示［３］。ｄ，有无光照时的电流随时间的变化。逡逑光照后器件的电流出现明显的随机波动［８］。逡逑石墨烯和过渡金属硫族化合物（ＴＭＤＣ）等二维材料的发现给ＰＮ异质结等逡逑元器件的发展带来了新的机遇。二维材料只有原子层厚度，表面无悬挂键，迁移逡逑率远高于相同厚度的传统材料，很容易堆叠形成各种功能的异质结器件。而且原逡逑子层厚度的二维材料的掺杂可以通过栅极电压静电掺杂实现，不需要原子的替换，逡逑为原子尺度ＰＮ异质结的实现提供了可能［９］。图１．２给出了传统材料异质结界面逡逑与二维材料异质结界面的透射电子显微镜（ＴＥＭ）图片。传统材料的异质结界面逡逑存在明显的晶格失配和缺陷

能带图,石墨,碳原子

减薄后的无机电子器件的迁移率和开关比远好于有机电子器件，因此用来做柔性逡逑电子和光电子器件更有前途。逡逑下面以石墨烯和Ｍ0Ｓ２为例来具体阐述二维材料的一些基本性质。如图１．３ａ逡逑所示，石墨是多层石墨烯通过范德华力按照一定的角度结合堆叠在一起形成的层逡逑状材料。单层碳原子的面内是依靠共价键结合在一起的。石墨烯的碳原子位于同逡逑一个平面内，单层石墨烯的厚度大约为０．３５ｎｍ，是目前己知的最薄的材料［１３］。逡逑石墨烯的能带结构如图１．３ｂ和图１．３ｃ所示，在低能区，能带满足线性色散关系，逡逑因此石墨烯低能能带中的载流子是无质量的狄拉克费米子。线性色散关系使单层逡逑石墨烯拥有超高徖移率［１７，邋２７－３９］。逡逑ｉ逡逑Ｔ逡逑图１．３石墨的结构和能带图［１３］。ａ，单层石墨稀的原子结构图，层内的碳原子通逡逑过共价键结合在一起。ｂ，石墨的原子结构图，相邻的碳原子层通过范德华力结逡逑４逡逑

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