面向电极接触应用的二维金属性过渡金属硫属化合物的制备和器件研究进展

二维(two-dimensional,2D)层状半导体材料因具有原子级厚度、优异的光电性质和良好的热/化学稳定性等,被认为是延续摩尔定律的重要候选材料之一.基于超薄2D半导体材料构建的电子器件本质上是一种界面器件,其性能与金属-半导体接触的质量密切相关.常规蒸镀法制备金属电极通常涉及高能原子(团簇)轰击,该过程往往导致沟道材料的损伤和界面缺陷的产生,使得接触质量下降,接触电阻增大,器件性能显著恶化.2D金属性过渡金属硫属化合物(metallic transition metal dichalcogenides,MTMDCs)和半导体性TMDCs具有类似的材料组成、相同的层间范德华相互作用、可兼容的制备方法等,有望作为金属-半导体接触的界面材料,有效改善接触问题.目前,面向电极接触应用的高质量2D-MTMDCs的制备与应用已取得重要进展.本文综述了近年来基于化学气相沉积(chemical vapor deposition,CVD)法制备MTMDCs的一些研究成果,包括不同材料体系的制备、结构表征以及作为电极接触的应用等,最后讨论了该领域目前存在的问题,展望了未来可能的发展方向.

二维金属性过渡金属硫属化合物的可控制备和潜在应用

二维金属性过渡金属硫属化合物(metal transition metal dichalcogenides,MTMDCs)由于其独特的物性(如电荷密度波相转变、超导和磁性等),以及在先进纳米电子学和能源相关领域的应用潜力而受到研究者的广泛关注.为了实现基本物性研究和多方面的应用探索,化学气相沉积(CVD)技术被引入到高质量二维MTMDCs材料的制备中,成功地合成了厚度可调的超薄MTMDCs纳米片、大面积均匀的超薄薄膜、垂直取向的纳米片阵列和高质量的纳米片粉体等.CVD方法可以兼顾大畴区、层厚可调和高晶体质量的材料制备需求,还能与目前的半导体工艺相兼容,因而受到人们广泛关注.二维MTMDCs材料具有高的电导率,可以作为单层/少层半导体性过渡金属硫属化合物(transition metal dichalcogenides,TMDCs)的电极材料,改善晶体管器件的电极接触,从而提升器件性能.此外,二维MTMDCs纳米片也可作为高效的催化剂应用于电化学析氢反应,其催化性能显著优于单层/少层MoS2等半导体性TMDCs催化剂.本文综述了二维MTMDCs材料的CVD制备方法和新奇物理特性,以及其在场效应晶体管、电催化析氢应用中的研究进展;最后讨论了相关领域存在的问题和未来发展方向.

二维过渡金属硫属化合物氧还原反应催化剂的研究进展

氧还原(ORR)反应是燃料电池等清洁能源阴极的关键反应,其反应动力学复杂,阴极需使用Pt等贵金属催化剂。然而Pt价格昂贵,且载体炭黑在高电位环境下稳定性欠佳,导致电池部件成本高且寿命短。二维过渡金属硫属化合物(2D TMDs)具有高比表面积与可调节的电学性能,且稳定性强,有望在维持活性的同时提高燃料电池阴极的耐久性。本文梳理了近年来2D TMDs在ORR催化剂领域的最新研究进展:首先概述了2D TMDs的结构、性质及ORR反应机理;其次分析了调控2D TMDs的ORR性能策略,包括异质元素掺杂、相转变、缺陷工程与应力工程等,介绍了2D TMDs基异质结构对ORR性能的提升作用;最后,针对该领域目前存在的挑战进行展望与总结。

碲协助法制备二维过渡金属硫属化合物合金及异质结

二维过渡金属硫属化合物(TMDC)合金和异质结由于具有独特的光电性能,因而在下一代光电器件中有着广泛的应用前景.然而,如何可控地制备出二维TMDC合金和异质结是一个重大的挑战.以WS2与MoS2的异质结和合金为例,通过在钨粉中引入不同含量的低熔点碲粉,有效降低了WS2的生长温度,继而调节了WS2的成核和生长速率,利用一步化学气相沉积方法,可控地制备出WS2/MoS2垂直异质结和Mo1-xWxS2合金.拉曼光谱、光致发光谱、拉曼成像和光致发光成像技术表明,制备出的WS2/MoS2垂直异质结是由单层的WS2和MoS2上下叠加而成,而在Mo1-xWxS2合金中,W的含量(x)为0.83.此研究为人们提供了一个简单、有效的可控制备二维TMDC异质结和合金的化学气相沉积方法.

二维过渡金属硫属化合物的大面积制备与应用研究进展

二维过渡金属硫属化合物(TMDs)因具有可调带隙、谷电子学性质和高催化活性等优点,在电子学、光电子学和能源相关领域受到广泛关注.为了实现以上应用,实现大面积、厚度均匀TMDs薄膜的批量制备至关重要.化学气相沉积法(CVD)是制备大面积均匀、高质量二维材料普遍使用的方法.本文从前驱体的供给和衬底的设计两个角度,总结了目前合成大面积TMDs薄膜的CVD方法,并讨论了高质量TMDs的生长机制和参数优化方法;介绍了高质量TMDs在电子学、光电子学和电/光催化等方面的应用;讨论了目前合成大面积均匀、高质量TMDs所面临的挑战,并对该领域的发展方向进行了展望.

链状结构IVB和VB金属硫属化合物的结构化学

总结了我们此前开展链状结构前过渡金属硫属化合物结构研究的结果。按照结构特征 ,分类讨论了 1 2个链状化合物的晶体结构、电子结构和物性。化合物M4O (Te2 ) 4I4Te(M =Ti,Ta)具有绝缘体性质 ,其结构由M4OTe10 I4氧心四核簇通过共用Te原子连接而成的 [M4OTe9I4]链组成 ;化合物 (MQ4) nG(M =Nb ,Ta;Q =Se,Te ;G =I,In ,Sb)具有半导体性质 ,其结构由 [M (Q2 ) 2 ]1∞ 链组成 ,链间插入G原子 ;化合物 (MTe4) nIn -2 (TaI6 ) (M =Nb ,Ta;n =4、6 )的结构由 [M (Te2 ) 2 ]1∞ 链、分立的TaI6基团和I原子组成 ,它们具有良好的导电性。

基于二维过渡金属硫属化合物的气体传感器研究进展

电化学传感器通过检测电学参数的变化来识别气体,从而实现气体的实时在线监测。由于其便捷性以及可接入物联网的特性,电化学传感器正逐渐成为气体传感器领域的重要发展方向。近几年,随着二硫化钼、二硫化锡、硫化亚锡以及硒化锡等二维过渡金属硫属化合物的兴起,越来越多的报道证明了二维过渡金属硫属化合物具有制作电气体传感器敏感元件的潜力。二维过渡金属硫属化合物表面与气体分子的接触面大,且具有半导体特性。总结了近些年二维过渡金属硫属化合物的最新研究进展,介绍二维过渡金属硫属化合物与气体分子的反应机理及其优势和特点,最后对二维过渡金属硫属化合物在气体传感器中的应用进行了展望。

二维过渡金属三元硫属化合物中实现量子反常霍尔效应的理论设计

区别于在三维拓扑绝缘体引入磁性的设计思路,在二维铁磁材料中引入拓扑特性是实现量子反常霍尔效应(QAHE)的一种新途径.最近实验成功制备的二维铁磁绝缘体为实现该效应提供了新的契机.本文基于密度泛函理论的第一性原理计算,设计了一个在过渡金属三元硫属化合物Cr2A2X6(其中A=Si,Ge,Sn;X=S,Se,Te)中实现QAHE的普适规则.该设计原则是,通过适当的表面修饰可将二维非拓扑的磁性绝缘体转变为量子反常霍尔体系.以硅烯修饰的Cr2Sn2Se6(Si/Cr2Sn2Se6)为例,计算发现Cr2Sn2Se6单层的居里温度可提高至92 K.具体的电子能带和拓扑性质计算发现,Si/Cr2Sn2Se6异质结存在约30 meV的拓扑非平庸带隙,即该体系中可以实现QAHE.进一步的低能有效模型分析表明,Si/Cr2Sn2Se6的拓扑特性是由Cr2A2X6六角晶格中的Cr原子贡献的.此外,还发现其他Cr2A2X6通过表面修饰也可以实现QAHE.以上研究结果证实了本文方案的普适性,其为实现高温QAHE提供了新的理论指导.

新型二维铜族硫族化合物MX(M=Cu,Ag,Au;X=S,Se,Te):二维极化金属与可见光催化剂

二维过渡金属硫族化合物因其优异的特性和广泛的应用前景而受到众多研究领域的关注.本文报道了一类具有极化金属和可见光催化特性的新型二维铜族硫族化合物MX (M=Cu,Ag,Au;X=S,Se,Te).金属性ι-CuS、ι-AgS和ι-AgTe的原子结构是面外反演非对称的,其底部和顶部具有不同功函数.因而这些金属单层与石墨烯形成异质结可使其功函数从4.35 eV扩展到3.87–5.04 eV.半导体性β-AgSe和α-AuTe/α-AuS/α-AuSe在pH=0/7下仅仅满足H+/H_(2)和H_(2)O/O_(2)反应的带边要求.进一步,α-AuSe/α-AuTe异质结作为Z型光催化剂在可见光驱动的水分解中具有极大的应用潜力,其具有合适的带边位置、增强的光吸收以及高太阳能-氢能转换效率(20.47%).这些优异的性能使二维铜族硫族化合物MX成为二维过渡金属硫族化合物研究领域的重要组成部分,有望得到理论和实验的密切关注.

过渡金属硫属化合物层间异质结构的可控制备和能源应用

随着石墨烯及其优异性质被发现以来,二维层状材料成为了材料科学领域研究的热点.二维层状材料每个片层内的原子通过化学键连接,片层间以弱范德华力相互堆垛.这种几何结构使得二维层状材料在晶格不匹配和生长方法不兼容的情况下,彼此之间仍然能够相互混合和匹配,从而衍生出很多范德华层间异质结构.这种异质结构利用了不同堆垛材料迥异的物理和化学性质,在电子、光电子器件、可再生能源储存和转化等领域得到了广泛的应用.需要指出的是,大面积、大畴区、可控制备本征层间异质结构是实现其实际应用的首要条件.本文总结了基于过渡金属硫属化合物(MX_2)和石墨烯(graphene)层间异质结构的最新研究成果,重点描述了MX_2/graphene和MX_2/MX_2层间异质结构的化学气相沉积(CVD)可控制备、新奇物理性质探索以及这两类异质结构在能源领域(电/光催化析氢反应)中的应用,并讨论了所存在的问题和未来发展方向.

二维过渡金属硫属化合物的激光发射

以二硫化钼(MoS_2)为代表的二维过渡金属硫属化合物(TMDs)具有随厚度/层数变化的光学和电学性质,并且展示出独特的激子效应和较高的光学量子产率,在光电子器件中具有很好的应用前景。近年来,基于TMDs材料的光学性质和光电子器件的研究进展迅速,如通过电场、化学掺杂、缺陷等方式实现了对其光致发光(PL)的调控,并极大地提高了PL发射量子产率;基于TMDs边带异质结和垂直异质结的LEDs被广泛研究并获得了较高的光发射效率;以TMDs作为增益介质,并将其与微盘、光子晶体空腔等耦合实现了低阈值激光发射。从TMDs的结构和光学性质出发,总结了TMDs材料PL的调控手段及效果,并介绍TMDs中激光发射的研究进展,最后对基于TMDs的激光发展进行了展望。

二维过渡金属二硫属化合物的应力调控

二维过渡金属二硫属化合物(TMDs)因其优异的性质,在光电器件、能量存储、催化等领域具有重要的应用价值.调节材料的晶格结构可以有效地调控其性质并扩展其应用领域,而应力调控是一种高效调节二维TMDs晶格结构与性质的重要方法.在过去的几年中,研究人员不断丰富应力调控二维TMDs的策略,拓展其在柔性光电器件、传感器、催化以及储能等领域的应用.本文主要综述了应力调控二维TMDs结构的各种策略、性质的调控效果以及在器件中的应用,展望了应力调控二维TMDs的发展趋势,并指出了未来研究中存在的挑战.

二维VB族过渡金属二硫属化合物的制备及物性研究

二维材料因为其简单的结构和特殊的物理化学性质近些年来受到科研人员的广泛关注。作为与石墨烯同属于二维材料家族的过渡金属族二硫属化合物(TMDs),在降低维度后,具有不同的半导体或金属特性,并由于维度的特性,将出现电荷密度波、磁性等独特物性。其中, VB族过渡金属二硫属化合物因为其相结构的多样性和物理性质的独特性而逐渐进入人们的视野。本文主要总结了近几年对于二维VB族过渡金属二硫属化合物的研究成果,从制备手段和物理性能进行介绍。制备方法主要包括机械剥离法、分子束外延法(MBE)、化学气相沉积法(CVD)等,并利用扫描隧道显微镜、拉曼光谱、电学器件等方式对物理性能进行表征。物理性能包括电荷密度波、超导电性、磁性。最后结合这些理论和相关性质的应用,对未来的研究方向和应用前景做出总结和展望。

Cu(111)衬底上单层铁电GeS薄膜的原子和电子结构研究

二维铁电材料因具有自发极化特性,在铁电场效应晶体管、非易失性存储器和传感器中具有广泛的技术和器件应用.特别是第Ⅳ主族单硫属化合物具有最高的理论预测热电特性和本征的面内铁电极化特性,适合作为探索二维铁电极化特性的模型材料.然而,由于相对大的解理能,目前不容易获得高质量和大尺寸单层第Ⅳ主族单硫属化合物,严重阻碍了这些材料应用到快速发展的二维材料及其异质结研究中.本文采用分子束外延方法在Cu(111)衬底上成功制备单层GeS.通过高分辨扫描隧道显微镜,原位X射线光电子能谱和角分辨光电子能谱以及密度泛函理论计算,对单层GeS原子晶格和电子能带结构进行了系统表征.研究结果表明:单层GeS具有正交晶格结构和近似平带的电子能带结构.单层GeS的成功制备和表征使得制备高质量和大尺寸单层第Ⅳ主族单硫属化合物成为可能,有利于该主族材料应用到快速发展的二维铁电材料以及异质结研究中.

CVD法制备单层二硒化钨薄膜及其生长机制研究

二硒化钨(WSe2)是一种具有较高带隙的半导体材料,其结构类似于石墨烯,具有优异的光电特性,在互补逻辑电路、场效应晶体管以及气敏传感器等领域具有潜在的应用价值。本实验采用化学气相沉积法(CVD)实现了大面积、高质量单层WSe2薄膜的制备,利用XPS、AFM、Raman对薄膜进行了表征,探究了基片到钨源的距离和生长温度对样品的形貌、尺寸及形核密度的影响。从晶体生长学的角度,用不同n(W):n(Se)(■0.5,>0.5,=0.5)生长模型解释了不同形貌WSe2薄膜的生长机制,为可调控二维半导体单层薄膜制备工艺的优化提供了参考。

二维TMDs析氢催化剂的改性和耦合产电研究进展

二维过渡金属硫属化合物(2D TMDs)具有比表面积大和电子结构可调的优点,被认为是电催化析氢反应(HER)最具前景的非贵金属催化材料。而纯的2D TMDs的活性位点数量有限且电导率不够高,通过对其进行有效改性,可优化氢吸附自由能、提高导电率、增加催化剂活性位点数量以提升本征催化性能。本文综述了对近年来2D TMDs基电催化剂在HER中的应用研究进展,以促进电解水制氢的进一步发展。重点分析了改性策略及相应的制备方法、电解水析氢性能与影响机制以及耦合产电应用进展,最后对2D TMDs在HER及耦合产电应用中面临的挑战进行分析与展望。

基于CVD单层MoS_2 FET的光电探测器

通过化学气相沉积(CVD)工艺在SiO_2/Si衬底生长出MoS_2材料,对材料进行喇曼光谱表征,验证了单层MoS_2的存在;基于CVD生长的单层MoS_2完成了晶圆级背栅场效应晶体管(FET)光电探测器的工艺研发;对MoS_2 FET器件进行了电学特性表征,开关比可达到105数量级,场效应迁移率约为1 cm2·V-1·s-1,栅极漏电流为10-10 A数量级;对MoS2FET器件的光电特性进行了表征,该光电探测器具有普通光电导探测器的基本光电特性,其光电流随光照强度的增强以及源漏电压的增加而增加,同时由于栅极的调制提高了光电探测器的灵活性。通过控制栅极电压能够控制MoS2FET光电探测器的暗电流大小,实现对探测器η参数的有效调制。最后通过器件能带图对MoS_2 FET光电探测器的光电特性进行了阐释,为其走向实际应用奠定了理论基础。

二维原子层谷电子学材料和器件

人为操控电子的内禀自由度是现代电子器件的核心和关键.如今电子的电荷和自旋自由度已经被广泛地应用于逻辑计算与信息存储.以二维过渡金属硫属化合物为代表的二维原子层材料由于其具有独特的谷自由度和优异的物理性质,成为了新型谷电子学器件研究的优选材料体系.本文介绍了能谷的基本概念、谷材料的基本物理性质、谷效应的调控和谷电子学器件的研究进展,并对谷电子学材料和器件的研究进行了总结与展望.

实用第一智慧密集

原子级超薄晶体管问世 “世界最薄电子产品”的有力竞争者来了,因为它竟然只有3个原子厚。该装置使用了被称为“过渡金属硫属化合物”的新材料（全称为transition metal dichalcogenide）,其特点是相当之薄。通常情况下,其薄膜只有几个原子那么厚,但性能却足以用于制造太阳能电池、光感器、或者半导体。对于物理学家和制造商们来说,其前景相当令人期待。但要让这种材料能够一致性地工作,仍然极度困难。好消息是,今天已经给出了迄今为止最佳的解决方案。

二硒化铼（ReSe2）:各向异性的新型二维光电材料

随着二维材料研究的高速发展，越来越多的新型二维材料开始走进研究者的视野。从最早被发现的石墨烯，到目前研究正酣的二维过渡金属硫属化合物（TransitionMetal Dichalcogenides，TMDs），每一种新材料的出现都将伴随着一阵新的研究热潮。