二维原子晶体材料SnSe_x的制备及其器件特性

发布时间：2017-12-18 14:11

  本文关键词：二维原子晶体材料SnSe_x的制备及其器件特性

  更多相关文章： 二维原子晶体 SnSe SnSe_2 场效应晶体管 热电特性

【摘要】：自从第一种二维材料石墨烯发现以来,过去十几年,人们不断探索着新的二维材料。二维材料家族成员也从单质拓展到各种化合物,几乎涵盖了元素周期表前六周期四分之一的元素,它们结构多样,物性丰富,然而,对主族金属化合物,特别是IVA族金属元素硫族化合对应的二维材料体系研究较少。研究这类二维材料能够丰富和完善现有的二维材料谱系,填补人们认识空白。SnSe_x二元化合物对应于SnSe和SnSe_2,是两种典型的IVA族金属硫族化合物,且都属于二维层状半导体原子晶体材料。SnSe具有类黑磷正交结构呈现p型(空穴)导电特征,体材料的迁移率达~150 cm2V-1s-1,是IVA族金属硫族化合物中最高的,其化学性质稳定且低毒。由于晶格振动具有较强的非简谐性,使得SnSe的热导率很低,是一种优异的的热电材料。而SnSe_2具有类石墨烯的六方结构呈现n型(电子)导电特征,其间接带隙为0.97 e V,和SnSe能够很好的形成一定的带隙匹配。基于这些特性和优势,本文选择SnSe和SnSe_2两种二维材料作为研究对象,主要研究内容如下:1.通过有机硅衬底外延优化了SnSe单晶薄层的CVD生长工艺,研究了SnSe二维材料拉曼特性。其拉曼的厚度依赖,不同于Mo S2,在厚度大于10 nm时,依然存在。定性分析了层间作用力在这一过程中的作用。此外,变温拉曼结果表明SnSe在c轴方向有更强的非简性。进一步,借助接触共振AFM技术,研究了SnSe在a轴方向上的杨氏模量和层间作用强度,其层间杨氏模量高达54±2 GPa。2.研究了二维SnSe的场效应特性。由于浅受主能级在~52 me V,材料内部空位浓度较高(~1018 cm-3),使得空穴的耗尽很难实现,但是栅极电场仍然可以实现对空位导电的调制。器件的迁移率在2~15 cm2V-1s-1,高于同期文献数据,但低于体材料数据。由于光学支声子散射的各向异性,使得高温下(240 K)其场效应迁移率显现出明显的面内各向异性特征,沿着c轴方向有更高的场效应迁移率。3.研究了二维SnSe单晶薄片(~15 nm)的栅压调制的热电性质,SnSe单晶薄片的塞贝克系数的随着温度降低,栅压依赖特性增强。不论是直流还是交流测试,室温下,塞贝克数据都和空位掺杂的体相相似(100到400mV/K)。在15 nm厚度,塞贝克系数上并未表现明显的量子限制效应。同时,器件的功率因子由于场效应迁移率的衰减出现了较大的降低。这表明了CVD合成的二维SnSe的内部缺陷对热电性质的制约。4.通过机械剥离的方法制备了二维SnSe_2,材料本身表现出明显的n型简并掺杂的特征。通过改进器件结构,利用70 nm HfO_2背栅绝缘层和聚合物电解质涂覆层的电容耦合,首次实现了SnSe_2晶体管的高开关比(104),并初步探索了SnSe_2在Li+插层过程中的不稳定性。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN304;TN32

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本文编号：1304448