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大面積/少層PtS2材料制備與物理特性研究
發布時間:2021-03-25瀏覽:199次

 

1947年*一只晶體管的誕生,到1958年*一塊集成電路的出現,微電子技術歷經了半個多世紀的發展,現如今給人類社會發展帶來了方便。作為信息產業基礎的半導體材料是微電子、光電子及太陽能等工業的基石,對我國的工業、科技以及國防事業發展都有至關重要的意義。石墨烯作為典型的二維納米材料材料,具備化學、光、電、機械等一系列優良的特性而得到廣泛應用,但石墨烯存在零帶隙、光吸收率低等缺點限制了其更廣泛的應用,與此同時類石墨烯材料應運而生,過渡金屬硫族化合物(Transition Metal Dichalcogenides, TMDs)作為類石墨烯材料的典型代表不僅具備類似石墨烯的范德華力結合的層狀結構,還擁有優異的光、電、磁等性能,更好地彌補了石墨烯的缺點,大大拓寬了半導體材料的實際應用范圍。

硫化鉑(Platinum sulfide, PtS2)作為TMDs家族的重要成員,具有較寬且可調帶隙、光-物質相互作用強和穩定性好等特點,是半導體器件的潛在候選者。特別是近年來伴隨著電子元器件尺寸的進一步縮小和集成程度提高,半導體產業的瓶頸愈加凸顯,TMDs的出現給現代電子技術領域帶來了新的發展機遇。然而當今二維材料共同面對的比如材料面積不大、不易轉移等問題對半導體產業的發展形成了一定的影響。

針對上述問題,2021年初,云南大學材料與能源學院、云南省微納材料與技術重點實驗室楊鵬,萬艷芬團隊通過物理氣相沉積(Physical vapor deposition, PVD)和化學氣相沉積(Chemical vapor deposition, CVD)相結合的方式實現制備大面積(cm2)少層、均勻的PtS2材料并表征了相關物理特性,昆明理工大學材料科學與工程學院王梟團隊提供理論計算支持。

 

1 (a)PtS2的原子構型 (b)大面積少層PtS2光學圖像 (c)PtS2光學顯微鏡圖 (d)PtS2上不同位置的AFM高度分布。

 

2 (a)剝離的的PtS2高分辨透射電子顯微鏡圖像 (b)晶格條紋圖 (c)對應紅色方框的快速傅里葉變換衍射圖。

 

3 (a)單層PtS2的能帶和態密度 (b)雙層PtS2的能帶結構 (c)PtS2塊體材料的能帶結構 (d) 不同層數的PtS2的帶隙值變化圖 (e)不同層數PtS2的導帶和價帶變化

 

4 (a)大面積少層PtS2的制備示意圖 (b)樣品三個不同位置獲得的拉曼光譜 (c) PtS2的光致發光光譜

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5 (a)少層PtS2X-射線光電子能(XPS) (b) PtXPS能譜 (c) SXPS能譜

 

6 (a)PtS2掃描電鏡圖像 (b)少層PtS2元素含量 (c) Pt元素mapping (d) S元素mapping

 

7 PtS2的偏振拉曼測量 (a)角度分辨偏振拉曼光譜原理圖 (b)分別在溫度300K(藍線)、200K(黑線)、100K(紅線)、12K(綠線)不同偏振角度下拉曼振動模式的強度變化點是實驗數據,實線是對數據的擬合(c - f)溫度為300 K (c)、200 K (d)、100 K (e)12K (f)偏振拉曼振動模式強度極性圖

 

8 大面積少層PtS2場效應晶體管(Field effect transistor, FET)特性 (a) FET示意圖 (b) FETIs - Vds特性 (c)不同漏源極電壓FET器件Id-Vbg轉移曲線 (d) FETIs - Vds輸出曲線

 

9 大面積少層PtS2的光電流特性 (a)光電器件橫截面圖 (b) PtS2光電器件在不同光功率下的電流- Vg曲線 (c) PtS2 光電器件在不同光功率下的電流- Vds曲線

 10 大面積少PtS2C-V性能 (a)不同探測頻率下PtS2C-V特性 (b)-1V、0V、1V不同偏壓下,電容隨頻率的變化

 

11 PtS2SiO2/Si襯底上的KPFM圖像 (a) PtS2樣品的AFM高度 (b)基于開爾文探針力顯微鏡(Kelvin probe force microscope, KPFM 測量PtS2的功函數圖像 (c)PtS2函數展示 (d)基于開爾文探針力顯微鏡(Kelvin probe force microscope, KPFM 測量PtS2表面電勢圖像 (e) PtS2表面電勢展示

 

12 (a) PtS2表面的靜電勢分布 (b)單層PtS2的靜電勢和功函數 (c)不同層間PtS2的功函數變化

 

13 PtS2的拉曼光譜強度在氧等離子體處理前后的變化 (a) O2等離子體處理PtS2的示意圖(b)O2離子體處理不同時間的拉曼光譜變化 (c)O2等離子體處理時間為分鐘數量級的拉曼光譜變化

總結

綜上所述,作者通過物理氣相沉積與化學氣相沉積相結合的方式實現了大面積、均勻性的PtS2材料制備,同樣地,將實驗與計算模擬相結合的方式對PtS2的合成、結構以及物理特性進行了探究,展示了PtS2的原子結構示意圖、溫度依賴極化拉曼光譜及光電器件搭建測試等工作。大面積的少層材料制備可降低光電器件的搭建難度以及提高材料轉移的成功率。該項制備策略提供了作為合成部分其他TMDs材料的通用方法。

相關研究成果以“Large-area uniform few-layer PtS2: Synthesis, Structure and Physical Properties, 發表在國際著名材料學術刊物Materials Today Physics上,文章*一作者云南大學材料與能源學院研究生陸江偉,通訊作者為楊鵬、萬艷芬、王梟,該研究得到了國家自然科學基金、云南省應用基礎研究計劃項目、云南大學高層次引進人才經費的支持。

 

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