ACS Nano: 環境氣體實現單層MoS2的寬范圍功函數調制

vesta_lws 7年前 (2016-06-20) 7386瀏覽

原子級厚度的層狀材料有一個，即共同的有趣特征，即每個原子都與周圍環境接觸，其對吸附物特別敏感，因此，層狀材料的固有物理和化學特性會隨著環境而發生改變。其中，功函數就是一個經典的例子。功函數的定義是這樣的：把一個電子從固體內部剛剛移到此物體表面所需的最少的能量。功函數對于電子和光電器件的設計是非常重要的指數之一。比如，石墨烯表面吸附不同的氣體分子，其功函數有不同的變化。層狀材料對環境的超敏感性對制備穩定和量產的器件是一個很大的阻礙。但是，如果從相反的角度思考，層狀材料的這個特性在一些應用方面有可能成為它的優勢。

近日，韓國成均館大學Young Hee Lee團隊實現了環境氣體對單層MoS2的大范圍功函數調制。研究者利用原位開爾文探針技術測量功函數，通過紫外線光電子能譜和密度泛函理論計算驗證實驗結果。單層MoS2在真空中測量的功函數為4.04eV，而在氧氣環境中轉變為4.47eV，該變化范圍和柵壓調控的石墨烯功函數變化相比擬。通過部分鈍化晶體管的同質結二極管揭露了一個具有理想因子和完美電子可逆性的理想結。從光電流映射估計耗盡層厚度約為200nm，比塊狀半導體的耗盡層窄得多。進一步的研究表明部分鈍化的MoS2晶體管的類二極管整流行為對于氣體傳感器和光電器件是必不可少的。

圖1 （a）開爾文探針系統示意圖；（b）用開爾文探針系統在室溫空氣，特高壓（~e-9Torr）和氧氣環境下測得時間分辨功函數變化；（c）利用化學氣相沉積法制備的單層MoS2在室溫空氣，特高壓（~e-9Torr）和氧氣環境的能帶圖。

圖2 （a）塊狀和CVD生長的單層MoS2在特高壓（~e-9Torr）環境的二級邊緣能譜；（b）CVD生長的單層MoS2在特高壓和氧氣環境下的二級邊緣能譜；（c）通過普適梯度近似（GGA）和局域密度近似（LDA）方法單層MoS2的功函數隨O2/H2O吸附率的理論變化曲線。

圖3? 在高壓腔中，柵源電壓VGS在+40V至-40V范圍內的轉移特征曲線，插圖為：在300nmSiO2/Si襯底上，Cr/Au做電極的單層MoS2晶體管的光學成像；（b）在室溫空氣、低壓（~e-3Torr）和高壓（~e-6Torr，退火后）環境下，源漏電壓為VDS=1V，器件的轉移特征曲線，插圖為最大的跨導變化；（c）在高壓環境和在暴露氧氣后至真空腔環境中，源漏電壓VDS=1V時，測量器件的轉移特征曲線；（d）在室溫空氣（黑色）、低壓（綠色）和高壓（藍色）環境下，MoS2-金屬結的能帶圖。