面向微电子应用的二维过渡金属硫族化合物制备进展

发布时间：2020-02-04 01:10

【摘要】：二维原子晶体材料所独有的结构特性带来了诸多优异的性质.与石墨烯相比,二维过渡金属硫族化合物(TMDs)拥有不同大小且可调控的带隙,在微电子和光电器件领域有着广阔的应用前景.本文对二维TMDs材料"自上而下"和"自下而上"的制备方法进行了总结,对比了机械剥离、液相剥离和化学气相沉积等常见制备技术,并归纳了各自的优缺点.同时基于未来晶圆级二维TMDs器件,重点介绍了化学气相沉积法及其面向应用需要解决的问题.最后总结了二维TMDs材料在微电子器件应用中的研究进展.
【图文】：

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4239评述图1(网络版彩色)微机械剥离法制备二维TMDs材料.(a)微机械剥离法制备单层MoS2的示意图[39].微机械剥离法制备的MoSe2(b)[40],WS2(c)[41],WSe2(d)[41]和PtS2(e)[42]薄片的光学显微镜照片Figure1(Coloronline)2DTMDsmaterialspreparedbythemicromechanicalexfoliationmethod.(a)TheschematicofmonolayerMoS2preparedbythemicromechanicalexfoliationmethod[39].OpticalmicroscopeimagesofindividualMoSe2(b)[40],WS2(c)[41],WSe2(d)[41]andPtS2(e)[42]sheetspre-paredbymicromechanicalexfoliation度、形状,并且重复性和产率较低.1.1.2锂离子插层剥离法尽管微机械剥离法能够较容易在得到晶体结构近乎完美的原子级厚度2DTMDs,但是该方法产率低、重复性差,限制了其实际应用.锂离子插层剥离法是可以在溶液中制备大量二维层状材料薄片的方法.1975年,最初由Dines[41]报道了锂离子插层法制备二维TMDs.1986年,Joensen等人[55]对该方法加以改进,并得到了单层MoS2.随着二维层状材料成为研究热潮,锂离子插层法得到了进一步的发展和应用.锂离子插层剥离法制备MoS2薄片的步骤如图2(a)所示,先将MoS2块体制成粉末,然后将MoS2粉末和正丁基锂混合于正己烷溶液,惰性气体环境下加热到100℃反应3d,得到剥离插层物;加入一定量的去离子水,接着超声1h,过滤、离心悬浊液并用去离子水多次洗涤至中性,最后真空干燥即可得到MoS2薄片,如图2(c),(d)所示.利用该方法可以得到大量亚微米尺寸的单层薄片[59],但是这些单层材料的晶体结构和电学性能均发生了改变[30].例如离子插层法制备的单层MoS2是金属相,从2H-MoS2变成了1T-MoS2

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4241评述图3(网络版彩色)液相超声法制备二维TMDs材料.(a)液相超声法剥离二维TMDs示意图[30];(b)分别含有WS2,MoTe2,MoSe2,NbSe2,TaSe2和h-BN薄片的水溶液照片[63];MoS2薄片(c)和WS2薄片(d)分散在不同乙醇/水比例的混合溶液照片[64]Figure3(Coloronline)2DTMDsmaterialspreparedbyliquidphasesonication.(a)Schematicdescriptionofliquidphaseexfoliationbysonicationtoprepare2DTMDs[30].(b)PhotographofdispersionsofWS2,MoTe2,MoSe2,NbSe2,TaSe2,andBNstabilizedinwaterbysodiumcholate[63].Photo-graphsofMoS2(c)andWS2(d)dispersionsinvariousethanol-watermixtures,respectively[64]到不同厚度的二维层状材料.2011年,Han等人[73]采用激光辐照多层石墨烯制备了高质量的单层石墨烯.2012年,Castellanos-Gomez等人[74]采用激光热剥蚀的方法得到了单层MoS2,如图4(a)~(c)所示,其光学和电学性能与微机械剥离法得到的单层二硫化钼相似.激光热剥蚀法在保证单层材料晶体质量的情况下,可以控制二维层状材料薄片的厚度、面积和形状,但是激光的成本昂贵,因此激光热剥蚀的方法不能适用于大规模的工业生产.热退火方法也可以将多层的二维层状材料薄片持续减薄至单层.2013年,Lu等人[75]在650℃,氩气压强为1.33×103Pa,为5sccm的石英管式炉中,可以逐层地减薄多层MoS2薄片,如图4(d)~(k)所示,速率约1层/h.通过热退火方法得到的多层二维TMDs晶体质量和表面粗糙度不会有较大变化.但是该方法目前还不成熟,并非严格按照逐层的方式来减薄,并且很难得到各向同性的表面.1.2“自下而上”生长模式“自上而下”的二维层状材料制备模式经过十多年发展已经成为?

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