河南師范大學安義鵬課題組Adv. Funct. Mater.: 后摩爾時代，探尋新型多功能納米器件

First published: 18 June 2020

作者：安義鵬*，侯玉升，王坤，龔士靜，馬春蘭，趙傳熙，王天興，焦照勇，武汝前*

單位：河南師范大學

【研究背景】

自從石墨烯被成功制備后，人們預測并成功制備大量的二維材料單層材料，包括硅烯、氮化硼、過渡金屬硫族化物(TMD)、磷烯、MX烯、硼烯、錫烯、銻烯、g-C₃N₄、CrX3結構等。這些二維單層材料可以表現出新奇的力、熱、光、電、磁學特性。尤其是，當不同的二維材料形成垂直分布的范德瓦斯異質結或側面拼接的共面異質結時，也常表現出一些新穎的特性。

過渡金屬二硫化物是研究較多的二維材料之一。幾何結構上通常存在1T (D_3D), 2H (D_3h) 和3R (D_3v)相結構；電子結構上可能為半導體，絕緣體和金屬。近年來，一些基于TMD的由相同或不同相結構構成的側面或垂直異質結引起極大研究興趣，包括MoS₂|WSe₂, MoSe₂|WSe₂, NbS₂|WS₂, VSe₂|MX₂等。這些異質結在晶體管和光電器件等方面具有重要潛在應用。

最近，研究人員通過兩步化學氣相沉積法成功制備了高質量的VS₂|MoS₂金屬-半導體側面異質結，與傳統的上部Ni接觸結構相比，該異質結具有更好的場效應遷移率。

【文章簡介】

近日，河南師范大學安義鵬副教授課題組與美國加州大學Irvine分校Ruqian Wu教授等課題組合作，在國際頂尖期刊《Advanced Functional Materials》(IF=15.621)上發表了題為“Multifunctional Lateral Transition-Metal Disulfides Heterojunctions”的研究論文 (Full paper)。

該論文對過渡金屬硫化物1T-VS₂|1H-MoS₂側面異質結的本征自旋輸運性質和機理進行了系統研究，分別設計了其二極管、場效應晶體管、光電晶體管和熱電器件模型，探究了通過門電極調控、光照、改變電極溫差等多種方法來調控其自旋電子輸運行為，進而實現整流、場效應、光電探測、溫差生電等多種功能特性。此項研究成果揭示了1T-VS₂|1H-MoS₂側面異質結在納米級自旋電子器件、光電器件和熱電器件領域的重要潛在應用價值。

安義鵬副教授為該論文第一作者和通訊作者，美國加州大學Irvine分校Ruqian Wu教授為共同通訊作者。此項研究得到了國家自然科學基金、河南省高校科技創新人才基金、河南省高校青年骨干教師基金、河南師范大學優秀青年基金、河南省“高等學校學科創新引智基地”等項目支持。

【課題組相關工作介紹】

【要點解析】

要點一：

圖1. a) Z-type和 b) A-type VS₂|MoS₂ 側面異質結二極管俯視和側視圖示意圖。

圖1顯示了Z-type和 A-type VS₂|MoS₂ 側面異質結二極管的俯視和側視圖示意圖。作者首先構造了Z-type和 A-type VS₂|MoS₂ 側面異質結的肖特基二極管結構，并研究了它們的整流作用。

圖2. Z-type VS₂|MoS₂ 側面異質結二極管的a)自旋向上和b)自旋向下電子傳輸譜，和 A-type VS₂|MoS₂ 側面異質結二極管的c)自旋向上和d)自旋向下電子傳輸譜。自旋相關I-V曲線，整流比率，dI/dV曲線。i) I/(1 ? e^?qVb/kBT)-V_b曲線，j)溫度相關的理想因子|n|曲線。

圖2分別給出了Z-type 和A-type VS₂|MoS₂ 側面異質結二極管的自旋相關電子透射譜、I-V、dI/dV、I/(1 ? e^?qVb/kBT)-V_b和溫度相關的理想因子|n|曲線。

圖3. 偏壓相關的Z-type VS₂|MoS₂ 側面異質結二極管電子透射譜和局域器件態密度曲線a) 0伏，b)0.8 伏，c)-0.8伏。d)自旋向上的表面能帶和T(E,K), e)自旋向下的表面能帶和T(E,K)。

圖3分別給出了不同偏壓下Z-type VS₂|MoS₂ 側面異質結二極管的電子透射譜和局域器件態密度曲線，以及自旋相關的表面能帶和T(E,K)來理解VS₂|MoS₂ 側面異質結二極管的整流功能。

要點二：

圖4. VS₂|MoS₂ 側面異質結場效應性質。a) Z-type和 b) A-type VS₂|MoS₂ 側面異質結場效應晶體管示意圖。Z-type在柵極電壓分別為c) 10V 和 d) -10V 時的I-V曲線。A-type在柵極電壓分別為e) 10V 和 f) -10V 時的I-V曲線。

圖4 給出了Z-type和A-type VS₂|MoS₂ 側面異質結場效應晶體管的場效應性質。柵極可以明顯調控VS₂|MoS₂ 側面異質結的電子輸運和整流比率。

要點三：

圖5. VS₂|MoS₂ 側面異質光電晶體管。a) Z-type和 b) A-type VS₂|MoS₂ 側面異質結光電晶體管示意圖。c) Z-type自旋相關光電流曲線，d) A-type自旋相關光電流曲線。柵極調控的e) Z-type和d) A-type光電流譜圖。

圖5給出了VS₂|MoS₂ 側面異質光電晶體管在線性偏振光0到5eV是的光電性質，以及柵極調控的光電能譜圖。

要點四：

圖6. Z-type VS₂|MoS₂ 側面異質結熱電性質。Z-type VS₂|MoS₂ 側面異質結熱電器件示意圖a)和溫度相關的熱驅動電流曲線b)。

圖6給出了Z-type VS₂|MoS₂ 側面異質結的熱電器件示意圖和溫度相關的熱驅動電流曲線。

【結論】

綜上所述，作者對過渡金屬硫化物1T-VS₂|1H-MoS₂側面異質結的本征自旋輸運性質和機理進行了系統研究，分別設計了其二極管、場效應晶體管、光電晶體管和熱電器件模型，探究了通過門電極調控、光照、改變電極溫差等多種方法來調控其自旋電子輸運行為，進而實現整流、場效應、光電探測、溫差生電等多種功能特性。此項研究成果揭示了1T-VS₂|1H-MoS₂側面異質結在納米級自旋電子器件、光電器件和熱電器件領域的重要潛在應用價值。

【文章鏈接】

https://doi.org/10.1002/adfm.202002939

【第一作者及導師介紹、照片】

安義鵬，2012年復旦大學博士畢業，現為河南師范大學副教授，博士生導師，河南省教育廳學術技術帶頭人，河南省高校科技創新人才，河南省高校青年骨干教師。長期從事凝聚態物理學與材料研究的前沿課題, 先后主持國家自然科學基金3項，省自然科學基金面上項目1項，省高校科技創新人才項目1項，主持授權國家發明專利2項，迄今已在Adv. Funct. Mater.、Phys. Rev. 系列等高水平期刊上發表被SCI收錄論文60余篇，曾在美國加州大學Irvine分校從事科研交流工作一年。

【課題組鏈接】

課題組網站

https://www.htu.edu.cn/physics/2016/1021/c12869a85448/page.htm

?本文由河南師范大學安義鵬課題組投稿。