河南大學程綱團隊在Nano Energy上報告基于摩擦納米發電機的單層MoS2的表面離子柵調控及新型光電器件

【引言】

通過柵極電壓調控載流子傳輸特性是發展電子和光電器件的重要策略。先前的柵極調制技術通常應用于固體/半導體或液體/半導體界面，但對于許多實際應用中，半導體材料直接暴露于氣態氣氛中，傳統的調控技術不能有效地利用氣體離子來調控半導體載流子的傳輸特性。因此，開發氣體/半導體界面中的新型柵極調制技術具有重要意義。

【成果簡介】

近日，河南大學特種功能材料教育部重點實驗室程綱教授報道了一種新的“表面離子柵”調控技術。基于摩擦納米發電機驅動的氣體放電現象，在氣體/半導體界面中提出了一種新型的“表面離子柵”調控技術。該技術利用獨立層結構的摩擦納米發電機誘導的氣體放電產生的負離子吸附在單層MoS₂表面位置，充當“柵壓”來調控單層MoS₂載流子濃度和電輸運性質。不同氣氛下的測試結果表明，放電產生的氧負離子和電子在表面被捕獲所形成的局域負電荷，是表面離子柵調控器件性能的主要原因。

利用表面離子柵調控技術，開發了單層MoS₂的新型晶體管和光探測器。在表面離子柵的調控下，晶體管獲得了10⁴的電流開關比。通過表面離子調控，光探測器中光電流的恢復時間從6.64 s降低到74 ms。在文章中討論了新型晶體管和光電探測器的工作機制。本文所提出的表面離子柵調控技術，可以實時、原位地調控二維材料的電傳輸特性和表面局部能帶結構，這為發展新型二維電子和光電器件提供了新的思路，具有廣闊的應用前景。

相關成果以“The Novel Transistor and Photodetector of Monolayer MoS₂?Based on Surface-Ionic-Gate Modulation Powered by a Triboelectric Nanogenerator”為題發表在國際著名期刊 Nano Energy上。博士生趙磊為論文的第一作者，程綱教授和杜祖亮教授是論文的共同通訊作者。

【圖文導讀】

圖一 基于摩擦納米發電機誘導的氣體放電的表面離子柵調控技術示意圖

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（a）基于摩擦納米發電機誘導的氣體放電的表面離子柵調控技術示意圖。（b）摩擦納米發電機誘導的氣體放電的電流時間曲線。（c）負電暈放電離子運動示意圖。

圖二表面離子柵調控MoS₂器件的電學性能及不同氣氛中器件的電流-時間特性曲線

圖2?（a）表面離子柵調控MoS₂器件的示意圖。（b）表面離子柵調控MoS₂器件的I-V特性曲線，插圖是被調控器件的光學圖像，比例尺為20?μm。（c）利用表面離子柵技術多次調控MoS₂器件的I-V特性曲線，插圖是器件電流與表面離子柵調控器件次數對應曲線，V_ds為1V。（d）-（f）是在N₂，O₂和空氣條件下，表面離子柵調控MoS₂器件的電流-時間特性曲線。?

圖三表面離子柵調控MoS₂器件在不同氣氛中響應機理示意圖

圖3 表面離子柵調控單層MoS₂器件在（a）氮氣，（b）氧氣和（c）空氣條件下響應機理示意圖。

圖四 未使用和使用表面離子柵調控單層MoS₂器件的光響應曲線

圖4（a）未調控的多個照射周期下MoS₂器件的I-T特性曲線。（b）線性坐標下（a）圖中單個光電流周期的放大視圖。（c）在表面離子柵調控下多個照射周期下MoS₂器件的I-T特性曲線。（d）線性坐標下（c）圖中單個光電流周期的放大視圖。V_ds為1V。

圖五?表面離子柵調控單層MoS₂器件后，在紫外光下工作機制

圖5 表面離子柵調控單層MoS₂器件后，在紫外光下工作機制（a）表面離子柵調控MoS₂器件后，? ? O₂^-?吸附在器件表面缺陷處。（b）器件在紫外光照射下，產生光生電子-空穴對。（c）光生空穴被表面缺陷捕獲。（d）O₂^-與光生空穴復合，O₂脫附。

文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.05.012

本文由河南大學特種功能材料教育部重點實驗室程綱教授團隊供稿。

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