胡志高&宮勇吉Small：基于大面積原子層SnS2場效應晶體管電學性能研究

【研究背景】

過渡金屬硫族化物（TMDs）是一種最常見的二維半導體材料，其化學式為MX₂，其中由過渡金屬（M=Mo、W、Re、Sn等）組成的原子平面夾在兩個硫族原子平面（X=S、Se、Te）之間。二維TMDs具有獨特的電子、光學、化學和熱學性質，由于其在電子學、光學和催化等領域的潛在應用而引起了人們的極大關注。作為一種環保且豐富的半導體材料，二維SnS₂在可持續清潔能源電催化、電子和光電等諸多領域有較豐富的應用。因此，高質量、大面積原子層SnS₂的可控合成是實現其在催化和電子領域工業應用的第一步。而目前二維SnS₂的制備主要是機械剝離（ME）和化學氣相沉積法（CVD）。機械剝離制備TMDs缺乏對尺寸，均勻性和厚度的可控性，生產效率低，無法大規模合成，限制了其在電學和催化方面的工業化應用。由于其在材料形貌，缺陷和結構方面的精確控制，化學氣相沉積方法是目前制備大尺寸和高質量TMDs最成功的方法。因此，為實現產業化，使用CVD方法制備可控層數的大面積和高質量SnS₂仍然需要進一步研究。

【成果簡介】

近日，華東師范大學胡志高教授、北京航天航空大學宮勇吉教授（共同通訊作者）等人報道了一種簡易的熔融鹽輔助CVD法，成功地合成了大尺寸和高質量原子層的SnS₂。SnS₂的橫向尺寸可以長達410 μm，并且展現出良好的均勻性。通過原子分辨率掃描透射電子顯微鏡（STEM）觀察到SnS₂在不同層間具有高質量2H堆積晶格。此外，基于超薄SnS₂納米片的場效應晶體管（FET）展現出高開/關比（~10⁸）和高載流子遷移率（2.58 cm²V^-1s^-1），表明SnS₂在低功耗FET中的潛在適用性。此外，二維SnS₂的這種良好性能及其可控方法將使我們能夠在儲能應用中釋放其電催化能力，例如析氫反應（HER）、析氧反應（OER）和氧還原反應（ORR）。該成果近日以題為“Large-Scale Growth and Field-Effect Transistors Electrical Engineering of Atomic-Layer SnS₂”發表在知名期刊Small上。

【圖文導讀】

圖一：超薄SnS₂納米片的制備及表征

（a）通過CVD合成SnS₂的過程示意圖。

（b）低放大倍率的光學圖像，顯示出高收率的SnS₂原子層。

（c-d）SnS₂單晶的典型光學顯微鏡圖像。

（e-f）生長的SnS₂的SEM圖像。

（g）所得雙層SnS₂的 AFM圖像，插圖是沿（g）中白色虛線的高度輪廓。

圖二：生長SnS₂納米片的組成和化學狀態

（a）XPS光譜，顯示了S 2p和Sn 3d的結合狀態。

（b-c）三角形SnS₂單晶的光學圖像，以及A_1g模式的相應拉曼mapping圖像。

（d）具有不同層的超薄SnS₂的光學顯微鏡圖像，并標出了層號。

（e）SnS₂層從雙層到少層的拉曼光譜，激光波長為532 nm。

（f）SnS₂的A_1g拉曼模式的頻率（左垂直軸）和峰強度（右垂直軸）與層厚度的關系。

（g）在不同溫度下雙層和少層SnS₂的拉曼光譜。

（h）不同層SnS₂下A_1g模式的拉曼光譜峰位置隨溫度的變化。

（i）對于不同的層狀SnS₂，A_1g模式的FWHM與溫度的關系。

圖三：確認KI輔助生長的SnS₂的原子結構和質量

（a）樣品的常規TEM圖像。

（b）SnS₂的ADF-STEM圖像插圖顯示了相應的FFT模式，顯示出晶體具有六方結構和高晶體質量。

（c）SnS₂的ADF‐STEM圖像顯示出其完美的六邊形結構，插圖顯示放大的TEM圖像。

（d-f）分別對SnS₂，Sn和S進行相應的EDS mapping圖像。

（g）SnS₂的六邊形結構的側視圖和俯視圖的示意圖。

圖四：基于生長的SnS₂的背柵FET

（a）基于SnS₂的FET的示意圖。

（b-c）SnS₂器件的輸出和轉移特性曲線。

（e-f）SnS₂器件不同溫度下的輸出和轉移特性曲線。

（g）對于不同的V_GS值，使用熱激活傳輸模型繪制I_DS的溫度依賴關系。

（h）激活能E_a與V_GS的關系。

（i）場效應晶體管遷移率隨溫度的變化曲線。

圖五：基于SnS₂的FET的光電探測器

（a）在激發波長為407 nm激光器的不同照明功率下，V_GS = 0 V時SnS₂光電晶體管的源漏電流（I_DS）。

（b）SnS₂光電晶體管在V_GS = 3 V時光電流的功率依賴性。

（c-d）與最近報道的FET相比，基于SnS₂的FET的遷移率和開/關比，以及d）橫向尺寸和厚度。

【小結】

綜上所述，作者通過KI輔助CVD方法合成了橫向尺寸最大為410 μm的大尺寸高質量超薄SnS₂。使用鹽可以降低反應物的熔點并促進中間產物的形成，這可能有助于為大尺寸納米片的生長形成穩定的條件，為二維TMDs在電子和光電領域的應用鋪平道路。在當前條件下，已生長的SnS₂納米片可以減薄至1.5 nm（雙層）。特別地，該超薄SnS₂納米片基FETs表現出出色的性能，包括高遷移率（2.58 cm²V^-1s^-1）和高開/關比（~10⁸），優于其他已報道的基于SnS₂的FETs。此外，作者還系統地研究了溫度對電性能的影響。溫度低于275 K時，遷移率受到帶電雜質的散射的限制。電子-聲子散射是高溫下的主要機理。寬帶隙的二維SnS₂如此出色的性能及其可控合成可能為新興二維材料在電催化、電子和光電子學的未來應用中打開機遇。

文獻鏈接：Large‐Scale Growth and Field‐Effect Transistors Electrical Engineering of Atomic‐Layer SnS₂ (Small, 2019, 1904116)

課題組簡介：

胡志高教授課題組依托上海市極化材料多功能磁光光譜公共技術服務平臺，以研究光電功能材料及微納器件、新型二維半導體及電子器件以及研發極端條件下光電特性測試系統為主要目標，為新功能、新概念的光電功能器件和自旋電子學器件提供理論基礎和技術支撐。近年來課題組在Small、PRApp、PRB及APL等國際應用物理與材料頂級學術期刊上發表SCI收錄論文100多篇，他引1000多次，相關成果獲得2015年度上海市自然科學二等獎。胡志高教授主持并完成科技部國家重大科學研究計劃、國家自然科學基金項目以及上海市科委/教委重點項目等十多項科研課題。胡志高教授于2008年入選教育部“新世紀優秀人才支持計劃”，2010年入選上海市“曙光學者計劃”，2010年獲聘上海高校特聘教授(東方學者)，2014年入選上海市“優秀學術帶頭人計劃”以及2014年獲聘上海高校特聘教授(東方學者)跟蹤計劃等各類人才稱號。

課題組主頁鏈接：http://spec-lab.ecnu.edu.cn/

宮勇吉教授課題組主要研究方向為基于二維材料的量子信息及新能源方向的應用，具體包括二維材料的合成及其異質結構的構筑、二維半導體器件、二維量子器件及鋰硫電池、電催化等領域。課題組在材料學相關領域發表頂級期刊80余篇，包括Nature Materials, Nature Nanotechnology, Nature Communications, Advanced Materials，Advanced Energy Materials，Nano Letters等。

課題組主頁鏈接：http://www.buaamsegong.net/?

本文由大兵哥供稿。

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