二维材料及其异质结构的电子输运与器件研究

发布时间：2017-11-24 08:30

  本文关键词：二维材料及其异质结构的电子输运与器件研究

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【摘要】：自从石墨烯被发现以来,二维材料获得了极大的关注。二维材料有许多有趣的性质和潜在的应用,被认为是后摩尔时代关键材料之一。除了类似于电子与光电器件这种重要应用,二维材料还可以应用到多种功能化器件中。过去几年中,由不同二维材料堆叠而成的异质结构在器件设计与应用方向又展现出巨大的潜力。本文将研究包括石墨烯(graphene),二硫化钼(MoS2),二硫化铼(ReS2)等二维材料及其异质结构的性质。基于这些材料性质的研究制备出了几种功能化器件,例如场效应晶体管,逻辑反相器及光电探测器等。首先我们简要介绍了几种二维材料及其异质结构的基本性质与应用,其中包括石墨烯,过渡金属硫族化物,黑磷等。之后简要描述了在本文实验中用到测量平台及样品制备方法。测量平台包括室温电学测量平台,低温强磁场输运测量平台及室温光电测量平台等。另外还介绍了离子液体技术与制备异质结构的转移技术等。包括石墨烯和MoS2在内的大部分二维材料都是各向同性的,降低晶格对称性可以引入各向异性性质。第四章中我们研究了一种新型的二维材料二硫化铼(ReS2),其具有扭曲1T结构而存在各向异性性质。我们制备了单层及多层ReS2的场效应晶体管,性能优异。我们研究了ReS2各向异性的电学性质,两个轴的各向异性比值达到了3.1,在目前所有二维材料中是最高的。之后利用ReS2的特殊性质,制备了基于ReS2各向异性的逻辑反相器,表明ReS：可以作为未来大规模集成化逻辑电路的候选材料。利用多层ReS2直接带隙的特点制备了多层ReS2光电探测器,实现了高达88600AW-1的响应率,这个值在所有相似结构的二维材料光电探测器中是最高的。如此高的响应率是由于多层ReS2较强的光吸收率和陷阱态造成的。利用ReS2光电探测器的高响应率实现了对包括打火机和日光灯在内的微弱光源的探测。第六章中研究了石墨烯、MoS2以及二维材料异质结构的性质。首先研究悬浮石墨烯器件压力下电学性质变化。作为最薄的导电及弹性材料,石墨烯是纳米机电系统的理想材料。之前已经详细研究过石墨烯的机电性能,包括单层石墨烯的负压电电导效应。本文中观测到了双层及多层石墨烯的正压电电导效应。这个效应是层数依赖的,三层时最大。我们利用数值模拟分析,发现导致这个效应的原因是应力诱导的层间耦合与层内跃迁之间的竞争。通过热退火的方式,在悬浮石墨烯上调控出周期性波纹,利用金属团簇沉积实现了对石墨烯的周期性团簇修饰。并设计了Graphene/h-BN异质结上的大曲率石墨烯气泡,沉积金属团簇后发现石墨烯曲率越大,团簇密度越小。接着研究了离子液体调节下双层MoS2的超导转变。利用离子液体诱导出超高载流子浓度,在双层MoS2中实现了稳定的超导转变,并研究了温度与磁场对超导电流的影响。另外,利用背栅电压调节实现了对超导电流的开关。之后提出了一种新的光电探测器异质结构,p-graphene-n。这种异质结构结合了原子层p-n结的高响应率和石墨烯的宽光谱探测。制作的光电探测器在可见光波段实现了103 AW-1以上的响应率及1012 Jones以上的比探测率。同时在红外波段也测到了很好的响应,验证了这种异质结构的宽光谱探测。利用制备的探测器我们还实现了较高分辨率的光学成像。最后总结了本文所有的研究内容,并提出了一些问题及今后的研究计划。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB303

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本文编号：1221650