【摘 要】
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二维材料具有原子厚度的层状结构,层与层之间通过范德瓦尔斯力连接,并且可以同现有的器件制造工艺相兼容。缩小单个晶体管的尺寸可以使集成电路更强大、更灵活,同时减轻它们的重量和体积。电离辐照产生缺陷这种有效方法,对于调控二维材料性能,扩大这些材料的应用范围,以及在材料科学和工程领域开拓新的探索领域,具有非常重大的现实应用意义。而为了达到这个目标,需要克服很多的实际挑战,其中包括如何在二维材料上获得较好的
【基金项目】
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国家自然科学基金重点项目（11832016）,基于微纳技术二维材料器件的多场耦合失效机理研究； 湖南省研究生科研创新项目,湖南省自然科学基金（CX2017B291）； ZD20191007）','2001','amdrOR9uLENXszIkge1WDFvUFpOGyy6n-pDjgs0g6LnFsBPvx1Wsj
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二维材料具有原子厚度的层状结构,层与层之间通过范德瓦尔斯力连接,并且可以同现有的器件制造工艺相兼容。缩小单个晶体管的尺寸可以使集成电路更强大、更灵活,同时减轻它们的重量和体积。电离辐照产生缺陷这种有效方法,对于调控二维材料性能,扩大这些材料的应用范围,以及在材料科学和工程领域开拓新的探索领域,具有非常重大的现实应用意义。而为了达到这个目标,需要克服很多的实际挑战,其中包括如何在二维材料上获得较好的力学、光学和电磁学性能。该论文制备了单层和多层WSe2样品,采用先进扫描探针技术,结合第一性原理理论计算研究了电离辐照对于半导体WSe2的微观结构、光学、表面纳米摩擦学和电磁学性能的影响。探索γ射线辐照是否可以成为一种调制WSe2晶体缺陷,从而调控半导体器件性能的可靠方法。利用透射电子显微镜、拉曼光谱、光致发光（PL）光谱和原子力显微镜等表征工具及手段,系统研究了电离辐照对二维WSe2微观结构、光学、摩擦学和电磁学的性能影响,进行了第一性原理模拟计算,将实验结果与理论计算进行对比分析。主要研究内容和结果包括:（1）通过化学气相沉积法（CVD）制备了单层和多层WSe2样品,将制备的样品分为两组,分别进行γ辐照。一组样品在氧气环境下,经过电离辐照的剂量分别为0,5,10,15和20 kGy,另一组放在氩气环境下,经过电离辐照的剂量分别为0,20,40,60,80和100 k Gy。辐照处理后的样品通过原子力（AFM）显微镜和扫描电镜（SEM）,确定了样品具有较高的晶体质量和表面形貌特征。通过高分辨率透射电镜下（HAADF-STEM）的原子相和电子衍射图（SAED）,证明样品内部原子规则排列整齐,具有明确的原子界面和化学与结构组成。（2）研究了电离辐照对于WSe2微观原子结构和光学性能的影响。通过透射电镜技术,观察到在氧气环境下,WSe2非常容易产生氧化,Se空位被氧原子替代,并且在局部产生WO3缺陷结构,即发生氧化反应,2WSe2+7O2→2WO3+4Se O2。在无氧环境下,WSe2经过不同剂量的电离辐照,内部原子结构产生一定数量的Se空位,并且空位缺陷浓度随剂量线性增加。通过拉曼光谱和光致发光光谱,发现随着辐射剂量的增加,产生的硒空位浓度随之线性增加,辐照使单层WSe2从初始状态的p型半导体材料转变为n型半导体材料,并且载流子浓度随着辐射剂量的增加而增加。诱导缺陷改变了WSe2单层材料的功函数,使单层WSe2由原始状态的直接带隙半导体转变为间接带隙半导体。（3）研究了电离辐照对于WSe2表面接触电势分布（CPD）的影响。通过Kelvin探针技术,研究样品功函数和表面CPD随氧缺陷含量的变化关系。结果表明电离辐照引入的氧缺陷含量与CPD具有非常强的联系。通过DFT方法计算不同氧缺陷含量的样品价带进行理论解释。电离辐照使单层WSe2从初始状态的p型半导体材料转变为n型半导体材料。（4）研究了电离辐照和层数对于二维材料WSe2的光学、摩擦学和电学性能的影响。分别采用了拉曼和PL光谱、摩擦力显微和Kelvin探针显微技术进行了研究。WSe2与基底之间产生的屏蔽效应,导致表面电势随着层数的增加而增加。实验结果表明γ电离辐照是一种调控WSe2摩擦学和电学性能的有效方法。（5）研究了电离辐照对WSe2表面磁性能的影响。通过磁力显微镜（MFM）测量不同样品的磁畴翻转情况,发现未经过辐照处理的样品几乎没有磁畴翻转,随着电离辐照程度的增加,在样品边缘最早发生磁畴翻转。
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