Adv. Funct. Mater.：MoS2納米帶的大規模制造及其光誘導電子以及熱傳導特性——結構和缺陷中的二分法

【引言】

近年來，二維半導體過渡金屬二硫族化合物被認為是新一代能量轉換的電子器件中最有前景的構件，對其晶體結構和形狀的研究有助于電子，光學和熱學性質的開發，一些學者研究了MoS₂納米帶的各向異性或方向依賴性，然而，這些研究大多基于仿真和建模的方法，由于缺乏先進的納米帶制造或傳輸方法以及有效的納米尺度熱測量系統，MoS₂帶的實驗尚未得到充分的探索。

【成果簡介】

近日，來自美國西北大學的陳新奇（通訊作者），Vinayak P. Dravid（通訊作者）（任美國西北大學原子及納米尺度結構分析中心主任）等人研究發現，使用簡便的光刻技術來完成MoS₂幾何結構的演變，制造了寬度從微米級到納米級的MoS₂帶狀物。同時進行了離散偶極近似（DDA）模擬和偏振拉曼研究，以了解MoS₂帶相關的各向異性光物質的相互作用。在寬度等于入射波長的MoS₂帶上觀察到強的吸收和散射效率，他們進一步研究了MoS₂帶的光致熱輸運性質，通過使用與密度泛函理論（DFT）相關的計算與拉曼光譜系統完成的，同時還發現帶邊聲子散射對熱導率的影響不明顯，在這種寬度尺度下熱傳導對帶方向沒有明顯的依賴性。這項研究展望了設計和制造具有特定幾何形狀的TMD半導體的未來光電子器件的應用前景。

【圖文導讀】

圖1MoS₂的制備過程及其顯微結構

a):光刻工藝以及MoS₂帶材制備的RIE技術；

b):MoS₂帶的原子結構；

c):顯微結構圖；

d):寬度等于1μm的MoS₂帶的SEM圖；

e,f):絲帶中的Mo和S的SIMS圖；

g):1μm的MoS₂色帶的AFM圖；

h):對應于（g）中的虛線的高度變化。

圖2： MoS2吸收與散射效率圖以及光感應電場分布圖

a,b):具有不同寬度的MoS₂帶的吸收效率和散射效率作為波長的函數；

d-f): MoS₂帶上的光感應電場分布圖。

圖3 ：MoS2帶上的各向異性拉曼散射

a-e): MoS₂帶的光學顯微鏡圖；

f):1μm寬的MoS₂帶的拉曼光譜作為偏振角的函數；

g):MoS₂片和各種MoS₂帶的拉曼光譜；

h): MoS₂片和MoS₂帶的偏振角。

圖4：MoS₂色帶的光電特性

a,b): MoS₂帶制成的場效應晶體管的光學顯微鏡圖；

c):在黑暗狀態下，在不同柵極電壓（VG）下，1μm帶狀器件的輸運曲線；

d):黑暗/照明下的MoS₂帶狀器件的傳輸曲線；

e):光響應對照明功率的依賴性圖；

f):照明下的代表性I-t曲線圖；

g-i):不同門極狀態下光電流產生的能帶圖。

圖5：熱傳導行為性能圖

?a):MoS₂帶的實驗裝置,插圖是相應的SEM圖；

?b,c):在不同的入射光功率和溫度下，1μm寬的MoS₂帶的拉曼光譜；

d,e):E2g模式的光頻對從b)和c)提取的激光功率和溫度的線性依賴性；

f): MoS₂樣品的熱導率總結；

g,h):聲子色散和基于DFT計算的多層MoS₂薄片的參數；

i):MoS2帶的理論計算熱導率顯示帶寬度和缺陷濃度的影響。

【小結】

該團隊對MoS₂光帶的結構變化和缺陷形成對光電和熱性能的影響有了全面的了解，由于一維帶狀結構的形成，他們觀察到增加吸收和散射效率隨著帶寬的減少。這導致MoS₂帶制成的光電晶體管產生強的光生載流子產生能力，同時，在制造帶狀物的過程中產生有缺陷的部位對光生載流子分離具有強烈的影響，導致光電流緩慢衰減，但是可以改善光響應時間。該團隊的模擬結果表明，由帶狀結構的變化導致導熱系數的下降甚微，但是由于缺陷的結合導致導熱系數顯著下降。實驗中，觀察到熱導率隨著寬度的減小有相對較大的下降趨勢，這與模擬結果是一致的，并且歸因于RIE工藝中不可避免的光刻膠殘留以及缺陷。該研究為設計和制造未來TMD半導體微納米電子器件提供了重要參考。

文獻鏈接：Large-Scale Fabrication of MoS₂ Ribbons and Their? Light-Induced Electronic/Thermal Properties: Dichotomies in the Structural and Defect Engineering（Adv. Funct. Mater. 2018, DOI: 10.1002/adfm.201704863）

課題組簡介：

該課題組是美國西北大學材料學院Vinayak P. Dravid課題組，主要從事二維材料，原位顯微鏡技術，納微米尺度軟材料的研究。具體內容可參考網站：http://vpd.ms.northwestern.edu/。另外，該課題組在二維材料領域的主要貢獻是對曲面二維材料的提出和開發。他們率先提出了曲面二維材料的概念，實現了其在納米顆粒表面的無縫生長，并發現這類曲面材料表現出獨特的光學和電學性質，已將其成功應用于等離子體增強光電傳感器中，先后在Nano Letter和ACS Nano上發表了兩篇代表性的文章。原文如下：

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.6b03764

http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsnano.7b05071

本文由材料人電子電工學術組楊超整理編輯。

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