浙江大學ACS nano 最新綜述：2D材料與3D材料間的接觸

vesta_lws 7年前 (2016-05-16) 8669瀏覽

如今，各種2D材料層出不窮，科學家也做了大量的工作研究它們的物理化學性質，以期望能夠打破傳統硅基技術的物理極限，給納米電子學注入新的活力。朝氣蓬勃的2D電子學向著各個方向飛速發展，與此同時，關于2D材料的范德華異質結的研究也備受關注，異質結中最重要的就是接觸問題。

近日，浙江大學徐楊等人將2D材料與3D材料的接觸分為四類，包括金屬與石墨烯的接觸，金屬與2D半導體的接觸，石墨烯與傳統半導體的接觸和2D半導體與傳統半導體的接觸，并且總結了四類界面接觸的研究狀況，分析了界面形成的異質結的性質和應用。這篇文獻為科研工作者和產業界指出了2D/3D材料接觸的發展狀況和問題，并指出了未來的研究方向。

Part 1 金屬與石墨烯的接觸

對于任何電子器件的發展，活性層的可靠性電子接觸是第一步。對于研究溝道材料的內在輸運性質和提高器件性能而言，歐姆接觸的精確表征或者肖特基接觸的控制都是非常重要的。文章首先介紹了傳統半導體器件中的接觸阻抗表征方法——轉移長度法（TLM），及其在新型2D材料中的貢獻，并總結了金屬/石墨烯接觸的應用發展情況。

圖1 傳統半導體器件中測量接觸電阻Rc和轉移長度LT的轉移長度法（TLM）：（A）測量裝置的俯視圖；（B）測量裝置的側視圖；（C）溝道長度L和總電阻Rtotal的變化曲線：橫坐標的截距為二倍的轉移長度，縱坐標的截距為二倍的接觸電阻。

圖2 金屬-石墨烯接觸的電子輸運：（A）傳輸概率：TMG為從金屬注入石墨烯的載流子，TK為石墨烯溝道內的載流子；（B）金屬-石墨烯界面的能帶示意圖；（C）石墨烯p-n結的能帶示意圖。

圖3 多層FET電流分布的阻抗網絡模型：（A）插圖為電流開關比的實驗數據，開狀態和關狀態的溝道電導，及對應的擬合曲線；（B）阻抗網絡模型示意圖，Ri為每層石墨烯的阻抗，Rint為層間阻抗。

圖4 石墨烯的邊緣接觸：（A）單層石墨烯被封裝在氮化硼中，邊緣暴露在空氣中，當Cr/Pd/Au(1/15/60nm)沉積在邊緣，形成邊緣接觸；（B）上圖為掃描電子顯微鏡成像圖片，下圖為電子能量損耗能譜圖，證實了邊緣接觸的形成。

圖5 各種NO2氣體傳感器的能帶示意圖：（A）石墨烯NO2氣體傳感器工作過程的能帶示意圖；（B）SnO2界面NO2氣體傳感器工作過程的能帶示意圖；（C）石墨烯-SnO2界面NO2氣體傳感器工作過程的能帶示意圖；（D）SnO2納米粒子與NO2的反應機理；（E）混合少量石墨烯的SnO2納米粒子與NO2的反應機理；（F）混合很多石墨烯的SnO2納米粒子與NO2的反應機理。

Part 2 金屬與2D半導體的接觸

在石墨烯研究的基礎上，金屬與其他2D材料，特別是TMDs(MoS2,MoSe2,WS2等)，BP等，形成的接觸在近幾年也被做了大量的研究工作。與石墨烯不一樣，這些2D半導體擁有可調能隙，為不同的器件應用提供了巨大的潛力。因此，本部分主要集中在MoS2領域的系統討論和BP領域的研究進展，并歸納對該部分的應用發展狀況。

圖6 Ni/MoS2節的肖特基勢壘高度（SBH）：（A）不同溫度條件下，固定源漏電壓VDS，源漏電流IDS隨背柵電壓VGS的變化曲線；（B）有效載流子高度隨背柵電壓VGS的變化曲線；（C）A圖數據的Arrhenius類型曲線；（D）不同功函數的SBH。

圖7 背柵Ti/Au接觸MoS2 FET的能帶示意圖，展現了不同Vbg和Vds的源極和漏極的肖特基載流子。

圖 8 （A）石墨烯/WS2/石墨烯結構光捕獲器件的結構示意圖；（B）Au納米棒/SiO2/Si結構的極化分解散射光譜；（C）WS2/SiO2/Si結構的散射光譜；（D-F）在WS2/SiO2/Si結構上，不同長度納米棒對應的發射極化分解散射光譜；（D）612nm波長下，計算出的近場密度圖；（H-J）在WS2/SiO2/Si結構上，計算得到的不同長度納米棒對應的發射極化分解散射光譜。

圖9 （A）MoS2上銀納米盤陣列的結構示意圖；（B）納米盤陣列的SEM成像；（C）B圖中對應納米盤陣列的集成光致發光強度分布圖；（D）納米盤陣列的光致發光光譜。

圖10 （A）NO2誘導P型摻雜源極/漏極接觸的WSe2 FET的結構示意圖；（B）NO2誘導前后，器件的輸運特征曲線；（C，D）從B圖數據計算出器件的有效空穴遷移率和輸出特征曲線；（E）K原子誘導n型摻雜源極/漏極接觸的WSe2 FET的結構示意圖；（F）誘導前和分別誘導1，20，40，70和120分鐘的輸運特征曲線；（G）誘導120分鐘后，器件的輸運特征曲線，插圖展示了器件的有效電子遷移率曲線；（H）器件的輸出特征曲線。

Part 3 石墨烯和傳統半導體的接觸

當石墨烯與傳統半導體形成接觸時，石墨烯作為透明的半金屬，在肖特基節為基礎的光電應用領域具有巨大的潛在價值，有望代替普通金屬。在這個部分，文章從基礎的3D肖特基節模型為入手點，總結了已經報道的石墨烯-傳統半導體肖特基節的實驗方法，回顧了已有的2D-3D半導體系統模型，并歸納了該體系的應用領域。

圖11 石墨烯/肖特基/硅肖特基節的SBH和理想因子：（A）器件結構示意圖；（B）根據熱電子發射模型，電流-電壓曲線的線性擬合；（C）飽和電流隨溫度的變化曲線。

圖12 石墨烯和Si，GaAs，SiC分別形成肖特基節SHB的C-V曲線。

圖13 利用阻抗光譜研究SBH：（A）器件分布和對應的電路原理圖；（B）測量出的阻抗光譜；（C）B圖數據中的擬合參數；（D）電容-電壓特征曲線。

圖14 利用傳導原子力顯微鏡（CAFM）表征石墨烯/SiC肖特基節的不均勻性：（Ａ）少層沉積/轉移石墨烯（DG）/SiC結構的形貌圖和局域I-V曲線；（B）剝離石墨烯（EG）/SiC結構的形貌圖和局域I-V曲線；（C，D）A圖和B圖樣品對應的直方圖和能帶圖；