圖1.氬電漿體相變處理示意圖. (b, c) 不同相變處理時間的拉曼 (b) 和熒光表徵 (c) . (d) 相變前後XPS表徵.
圖2. (a) 原始2H相二硫化鉬樣品STM表徵 (b, c) 相變處理後樣品STM表徵 (d, e) 相變處理前後STS譜.
圖3. (a) 三種場效應晶體管示意圖. (b) 三種場效應晶體管器件的轉移特性曲線.
單層二硫化鉬是一種典型的二維過渡金屬硫屬化物, 由於其特殊的能帶結構, 半導體性質等, 在納米電子器件和光電子學等諸多領域具有廣闊的應用前景. 單層二硫化鉬由三個原子層 (硫-鉬-硫) 堆疊而成, 不同的堆疊次序使其構成兩種不同的相, 即2H和1T相. 2H相層與層之間按照ABA堆垛, 金屬原子為三稜柱配位, 具有2.2eV的半導體性. 而1T相對應ABC的堆垛方式, 金屬原子為八面體配位, 呈現金屬性. 可控地實現2H和1T之間的相變不僅對研究單層二硫化鉬的本徵物理性質也對相關應用具有重要意義.
近期, 中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室 (籌) 納米物理與器件實驗室N07組博士生祝建琦在研究員張廣宇, 時東霞的指導下, 與北京大學教授江穎合作, 利用一種簡單的表面處理方法, 成功實現了2H到1T相的可控轉變. 這種方法利用具有一定動能的氬離子轟擊單層二硫化鉬表面, 氬離子就像原子保齡球一樣可以有效誘導單層2H相二硫化鉬頂層硫- 鉬鍵的扭轉, 從而導致頂層硫原子的整體滑移, 使二硫化鉬發生2H-1T的局域相變. 藉助掃描隧道顯微鏡測量, 他們驗證了同時存在的具有直接帶隙的2H相和金屬性的1T相, 並確認極少量的硫原子空位使得這種1T/2H相共存的馬賽克結構能夠達到穩定. 這種方法相較於傳統的相變方法, 不會引入多餘的雜質且快速, 可控, 還可以利用圖形化技術僅使指定區域發生相變從而構建異質結構. 將這種相變方法用在場效應晶體管中, 可以使與金屬接觸的部分轉變為1T相, 從而減少接觸電阻, 使電流密度提高兩倍, 晶體管的開關特性也有很大提高.
這種基於基於原子保齡球效應誘導單層二硫化鉬相變的方法潔淨, 高效, 可控, 且和現存的大規模整合電路製造工藝相容, 有望應用於二硫化鉬電子學, 光學, 能源等領域. 該工作發表於《美國化學會志》 (JACS. 139, 30 (2017)) .
該項研究工作得到國家重點研發計劃, 國家自然科學基金, 中科院前沿科學重點研究項目以及中科院戰略性先導科技專項的資助.
