期刊：ACS Nano

IF：18.027

文章鏈接: https://doi.org/10.1021/acsnano.c09131

【引言】

MoS₂是一種典型的二維材料，也是電子器件的重要組成部分。研究者發(fā)現(xiàn)，當(dāng)MoS₂與石墨烯接觸會產(chǎn)生van der Waals作用，使之具有良好的電學(xué)特性，可廣泛應(yīng)用于各類柔性電子器件、光電器件、傳感器件的研究。然而，MoS₂-石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)背后的電輸運(yùn)機(jī)理尚不明確。這主要是因?yàn)閭鹘y(tǒng)器件只有兩個接觸點(diǎn)，不能將MoS₂-石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的電學(xué)輸運(yùn)特性與二維材料自身的電學(xué)特性所區(qū)分。此外，電荷轉(zhuǎn)移、應(yīng)變、電荷在缺陷處被俘獲等因素也會對器件的電輸運(yùn)性能產(chǎn)生影響，進(jìn)一步提高了相關(guān)研究的難度。盡管已有很多文獻(xiàn)報道MoS₂-石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電輸運(yùn)性能，但這些研究主要基于理論計算，缺乏對MoS₂-石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電輸運(yùn)性能在場效應(yīng)器件中的實(shí)驗(yàn)研究。

【成果簡介】

2021年，意大利比薩大學(xué)Ciampalini教授課題組利用小型臺式無掩膜直寫光刻系統(tǒng)- MicroWriter ML3 制備出基于MoS₂-石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的多場效應(yīng)管器件，在場效應(yīng)管器件中直接測量了MoS₂-石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電輸運(yùn)特性。通過比較MoS₂的跨導(dǎo)曲線和石墨烯的電流電壓特性，發(fā)現(xiàn)在n通道的跨導(dǎo)輸運(yùn)被抑制，這一現(xiàn)象明顯不同于傳統(tǒng)對場效應(yīng)的認(rèn)知。借助第一性原理計算發(fā)現(xiàn)這一獨(dú)*的輸運(yùn)抑制現(xiàn)象與硫空位相關(guān)。

本文中所使用的小型臺式無掩膜直寫光刻系統(tǒng)- MicroWriter ML3無需掩膜版，可在光刻膠上直接曝光繪出所要的圖案。設(shè)備采用集成化設(shè)計，全自動控制，可靠性高，操作簡便，同時其還具備結(jié)構(gòu)緊湊（70cm X 70cm X 70cm）、高直寫速度，高分辨率（XY：<1 μm）等特點(diǎn)。靈活多變的前沿光刻技術(shù)，有助于MoS₂-石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的多場效應(yīng)管器件的研發(fā)。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1. 多場效應(yīng)管器件結(jié)構(gòu)。（a）通過化學(xué)氣相沉積法合成的石墨烯。（b）同樣用氣相沉積法合成的MoS₂。（c）多場效應(yīng)管器件的光學(xué)照片。右側(cè)示意圖中AB為石墨烯作為接觸點(diǎn)的MoS₂場效應(yīng)管，CD為MoS₂-石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)場效應(yīng)管。

圖2. MoS₂-石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的拉曼測量結(jié)果。（a）MoS₂被轉(zhuǎn)移到石墨烯前和轉(zhuǎn)移后的MoS₂拉曼測量結(jié)果。（b）MoS₂拉曼光譜中A_1g峰與E_2g峰的變化關(guān)系。圖中紅色實(shí)線代表MoS₂無應(yīng)變時A_1g峰與E_2g峰間的變化關(guān)系，藍(lán)色實(shí)線代表無摻雜時A_1g峰隨E_2g峰的變化。（c）在MoS₂-石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)中A_1g峰的圖譜。（d）石墨烯未被MoS₂覆蓋和被覆蓋后的拉曼結(jié)果。（e）石墨烯拉曼光譜中2D峰與G峰間的關(guān)系圖。圖中紅色實(shí)線代表無應(yīng)變時2D峰與G峰間的變化關(guān)系，藍(lán)色實(shí)線代表無摻雜時2D峰隨著G峰的變化。（f）在MoS₂-石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)中2D峰的圖譜。

圖3. MoS₂-石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的光致螢光光譜（PL）測量結(jié)果。（a）有石墨烯時MoS₂的PL光譜（橘色），無石墨烯時MoS₂的PL光譜（藍(lán)色）。通過高斯擬合，獲得A和B激子吸收峰的位置。（b）MoS₂-石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)中A激子吸收峰的強(qiáng)度。（c）A激子吸收峰在MoS₂-石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的半高寬圖譜。

圖4. MoS₂的輸運(yùn)特性。（a）室溫條件下，MoS₂在0-80V的VG范圍內(nèi)的I-V特性曲線。（b）轉(zhuǎn)移特性顯示出強(qiáng)烈的遲滯。紅色箭頭表面掃頻方向，紅色虛線為場效應(yīng)移動的預(yù)計值。其中插圖為測量器件的光學(xué)照片，電極用黑色圓點(diǎn)表示。

圖5. MoS₂覆蓋層對石墨烯的電子輸運(yùn)的影響。（a，b）石墨烯上不同MoS₂覆蓋面積的器件光學(xué)照片。（c-g）石墨烯上不同MoS₂覆蓋面積的轉(zhuǎn)移特性，黑色覆蓋率0%，橘色48%，藍(lán)色 55%，黃色69%，紫色79%。

圖6. 硫空位對場效應(yīng)的影響。（a）MoS₂-石墨烯界面的能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度。（b）不同門電壓條件下，場效應(yīng)所導(dǎo)致的電子和空位的分布。藍(lán)色表示電子，紅色表示空位。（c，d）在不同門電壓條件下，MoS₂-石墨烯界面的側(cè)視圖以及硫空位（綠色）的位置。

圖7. 不同硫空位密度條件下，石墨烯導(dǎo)電性能計算值。

【結(jié)論】

Ciampalini教授課題組首先制備了MoS₂-石墨烯二維材料的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上使用小型臺式無掩膜直寫光刻系統(tǒng)- MicroWriter ML3制備了多場效應(yīng)管器件。通過對多場效應(yīng)管器件的直接測量，發(fā)現(xiàn)了MoS₂覆蓋層對石墨烯電輸運(yùn)性能的獨(dú)*抑制作用。為了更好地理解這一獨(dú)*電輸運(yùn)現(xiàn)象，采用第一性原理的方法，計算了硫空位對石墨烯導(dǎo)電性能的影響。該工作為后續(xù)的石墨烯場效應(yīng)電學(xué)及光電器件的研究和應(yīng)用打下良好的基礎(chǔ)。同時，從文中也可以看出，課題組最主要的優(yōu)勢是能夠制備出基于MoS₂-石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的多場效應(yīng)管器件。在制備該器件過程中，需要及時修改相應(yīng)的參數(shù)，得到優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，十分依賴靈活多變的光刻手段，小型臺式無掩膜直寫光刻系統(tǒng)- MicroWriter ML3可以任意調(diào)整光刻圖形，對二維材料進(jìn)行精準(zhǔn)套刻，幫助用戶快速實(shí)現(xiàn)器件制備，助力電輸運(yùn)研究。

小型臺式無掩膜直寫光刻系統(tǒng)- MicroWriter ML3

相關(guān)產(chǎn)品

1、小型臺式無掩膜直寫光刻系統(tǒng)- MicroWriter ML3：https://www.chem17.com/st166724/product_16839518.html