二维材料WS2光电特性研究

• 作 者: 乔帅
• 出 处: 国防科技大学
• 发表日期: 2020年02期
• 关键词: 二维材料 WS2 拉曼光谱 场效应晶体管 光电特性

石墨烯的发现激发起了人们对二维材料研究的兴趣,但是石墨烯的零带隙等特征严重制约了其在电子器件等方面的应用。而最近兴起的二维过渡金属硫族化合物（TMDCs）,由于具有较大的带隙、强烈的光致发光效应等优异性能,使其在纳米电子器件和光电子学等诸多领域具有广阔的应用前景,并引起了广大研究者的兴趣,成为了近年来低维材料领域研究的热点。WS₂作为TMDCs家族成员之一,同样是非常优良的光电材料。此外,WS₂相比于其他TMDCs材料拥有一些更加优异的性能,如WS₂有着较高的热稳定性,WS₂场效应晶体管表现出双极性特征等。本论文从二维材料WS₂的制备开始,采用拉曼光谱、光致发光光谱、原子力显微镜表征了材料性能,同时利用微纳加工工艺,构建了WS₂场效应晶体管,并系统研究了其（光）电输运特性,主要工作如下:（1）表征了不同层厚WS₂的原子力扫描成像、拉曼光谱以及光致发光光谱。对于原子力扫描,由于单层WS₂的厚度一般约为0.65nm,所以可以经由简单计算来判定WS₂层厚。拉曼光谱和光致发光光谱可以快速无损的表征材料,对于拉曼光谱而言,随着WS₂层数的增长,A_1g（Γ）峰和E₂¹ _g（Γ）峰之间的波数差在增加,A_1g（Γ）峰发生蓝移,E₂¹ _g（Γ）峰发生红移。对于光致发光光谱而言,体材料WS₂没有任何PL峰,其从体材料变为单层时,带隙也由间接带隙转变为直接带隙。通过测量结果计算可知其带隙大约为2.02 eV。（2）制备了基于少层WS₂的场效应晶体管,并研究其常温条件下的伏安特性曲线和转移特性曲线。实验结果表明,器件展现出高的开关比（¹0⁶）和相对较高的载流子迁移率(20.2 cm²V^-1s^-1)。说明WS₂场效应管性能可观,十分适合于逻辑器件的制备。（3）研究了WS₂的光电响应。使用638nm的激光来研究其光响应,通过实验,我们测量了少层WS₂的光响应率（R_λ=3.5mA/W）,响应时间（t<20ms）,外量子效率（η=0.68%）以及探测率(D=3.32*10⁴W^-1),同时研究了光电流与入射光功率的函数关系。实验表明少层WS₂光电器件展现出高灵敏度和响应度。