二维层状二硫化钼薄膜异质结器件的设计及其应用研究

【摘要】：近年来,以石墨烯为代表的二维(2D)层状材料因其独特的性质引起了广泛关注。这类材料单层具有1纳米(nm)以下的厚度,展现出优异的物理性质和器件应用前景,成为电子、光电子器件应用中最具有吸引力的材料。和其它材料相比,它们具有较高的载流子迁移率、高导电性、良好的光学透明度以及优异的机械性能等。但是由于石墨烯的零带隙特性,使其在电子、光电子器件的应用方面受到了极大的限制。类石墨烯二维纳米半导体材料尤其是过渡金属硫化物(TMDs)成为学者们研究的热点,其中二硫化钼(MoS_2)由于其带隙可控、超高的比表面积、优异的光学透明度等优异的特性,使其成为光电应用领域具有应用前景材料,并被认为是有希望延续摩尔定律的二维半导体材料。块体MoS_2是间接带隙半导体,但是随着层数减少到单层,转变为直接带隙半导体,带隙为1.9 eV,远大于硅的(1.12 eV)。宽禁带性质使得MoS_2薄膜在高开关比、低功耗器件中具有显著的优势。因此,通过控制实验条件制备出厚度可控的MoS_2薄膜,并探索基于MoS_2薄膜异质结器件的应用具有重要意义。本文通过采用热分解法制备大面积、高质量、厚度可控的MoS_2薄膜,构建MoS_2异质结结构并探索其在电子、光电子器件中的应用,主要成果如下:一、通过热分解法在CVD管式炉中实现对大面积MoS_2薄膜的可控制备。通过X射线衍射仪(XRD)、掠射角X射线衍射仪(GIAXRD)、X射线光电子能谱分析(XPS)、拉曼光谱仪(Raman)、原子力显微镜(AFM)、透射电子显微镜(TEM)和高分辨透射电子显微镜(HRTEM)分析表明:已成功制备出高质量大面积厚度可控的层状MoS_2薄膜。二、通过热分解法合成大面积层状MoS_2薄膜和采用原位工艺法制备出MoS_2/Si异质结器件。研究了所制备器件的光电特性,MoS_2/Si异质结光电探测器对波长范围从深紫外到近红外的光显示出超高的灵敏度。在入射光波长为780nm,功率为72 mW/cm~2的条件下,MoS_2/Si异质结光电探测器的响应度高达23.1A/W,比探测率为1.63×10~(12) Jones以及21.6/65.5μs的超快响应速度。值得注意的是,MoS_2/Si异质结器件可以在频率范围在150 kHz内具有良好的稳定性和可重复性,表明该器件可以用于探测超快变化的光信号。三、为了进一步提高基于MoS_2异质结光电探测器的性能,制备了光伏型MoS_2/硅纳米线阵列(SiNWA)异质结光电探测器,并研究了其光电性能。结果显示该器件在紫外到近红外波段范围内表现出优异的光响应特性。通过进一步分析表明,响应度高达53.5 A/W,比探测率为2.8×10~133 Jones,在50 kHz频率下的响应速度为2.9/7.3μs。相比于MoS_2/Si异质结光电探测器,其各项性能参数均有提高,表明MoS_2/SiNWA异质结器件在光电器件领域具有巨大的潜在价值。四、研究了MoS_2/SiNWA异质结器件的湿度传感性能。该器件在正向和反向电偏压下对湿度变化均表现出较高的响应,较快的响应速度,良好的稳定性和重复性。在偏压为+5 V,95%相对湿度下,灵敏度和响应/恢复速度分别为392%和26.4/15.1 s,在偏压为-5 V,相对湿度为95%下分别为2967%和22.2/11.5 s。相比于基于MoS_2湿度传感器,其性能均有提高,表明MoS_2/SiNWA异质结湿度传感器件具有巨大的潜在价值。五、研究了MoS_2/SiNWA异质结器件的气敏传感性能。研究表明,该MoS_2/SiNWA异质结器件在室温下对一氧化氮(NO)气体具有超高的灵敏度。该气敏传感器的最低检浓度测极限为10 ppb,以及其对50 ppm NO的灵敏度高达3518%,并且具有良好的重复性和选择性。相比于基于MoS_2气敏传感器,其性能均有提高,表明MoS_2/SiNWA异质结气敏传感器件具有巨大的潜在价值。