近年來, 二維材料以其優異的電學, 光學以及力學性質被廣泛關注和研究. 得益於二維材料層狀結構及弱層間範德華相互作用, 不同的二維材料可以像樂高積木一樣相互組合形成各種二維材料異質結. 正如樂高積木有無窮種搭建方式, 二維材料也可以組合出具有不同性能的二維材料異質結, 這為器件應用和諸多基礎物理現象研究提供了一個絕佳的材料體系. 另外, 通過調節二維材料異質結堆疊結構, 二維材料異質結的性能可以進一步被改變, 甚至產生許多新奇的物理現象. 其中, 二維材料異質結的堆疊轉角調控作為一種重要手段, 引起了二維材料研究領域的廣泛關注. 目前已經報道了有許多有趣的異質結堆疊轉角調控現象, 例如零轉角石墨烯/六方氮化硼異質結的量子輸運性質, 轉角控制下的石墨烯/六方氮化硼/石墨烯異質結共振隧穿, 轉角二硒化鉬/二硒化鎢層間激子形成, 以及小轉角 (魔角) 雙層石墨烯中的莫特絕緣體轉變和超導現象等. 因此研究堆疊轉角對二維材料異質結性質的影響具有重大意義.
近日, 中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心納米物理與器件重點實驗室張廣宇研究組博士研究生廖夢舟與北京理工大學姚裕貴研究組博士研究生吳澤文合作, 結合掃描探針技術和第一性原理計算, 研究了堆疊轉角調控下的單層二硫化鉬/石墨烯異質結的垂直電學行為. 實驗獲得的結果為理解堆疊轉角對異質結性能影響提供了重要的資訊.
實驗利用原子力顯微鏡原位操縱與測量, 可以連續調控石墨烯上外延生長的單層二硫化鉬, 形成堆疊轉角可調的異質結, 並原位測量了異質結的垂直電導. 研究發現單層二硫化鉬/石墨烯異質結的垂直導電行為強烈依賴於異質結的堆疊轉角, 其垂直電阻隨堆疊轉角從0度到30度單調遞增. 30度堆疊轉角異質結的垂直電阻大約是0度堆疊轉角的5倍. 第一性原理計算表明, 產生不同堆疊轉角下二硫化鉬/石墨烯異質結垂直電阻變化的原因在於不同轉角下隧穿電流通過硫化鉬層的隧穿係數不同, 即隧穿係數從0度至30度堆疊轉角逐漸減小. 不同隧穿係數的產生是由不同堆疊轉角下隧穿電流在二硫化鉬層K空間上分布不同所造成的, 最終影響了隧穿電流的大小.
由於石墨烯/二硫化鉬異質結具有良好的光電和氣體感測應用潛力, 同時石墨烯電極被廣泛應用於降低二位過渡金屬硫屬化物接觸電阻. 因此這一研究為調節二硫化鉬/石墨烯異質結性能提供了指導, 同時為利用石墨烯作為二維過渡金屬硫屬化物的接觸電極以降低接觸電阻提供了一種新的思路, 對二維過渡金屬硫屬化物的電子和光電器件應用具有重大意義. 相關工作發表在《自然-通訊》(Nature Communications 9, 4068, doi:10.1038/s41467-018-06555-w (2018))上.
上述工作得到國家重點研發計劃 (Grant No. 2016YFA0300904) , 中科院前沿科學研究重點項目 (Grant No. QYZDB-SSW-SLH004) , 中科院先導B項目 (Grant Nos. XDPB06, XDB07010100) , 國家自然科學基金 (Grant Nos. 51572289, 61734001, 11574029, 11574361) , 科技部 (Grants No. 2014CB920903) 和中科院青年創新促進會 (Grants No. 2018013) 等的資助.
圖1. 原子力顯微鏡旋轉二硫化鉬/石墨烯異質結. a, 原理圖. b-f, 不同轉角二硫化鉬/石墨烯異質結.
圖2. 堆疊轉角調控二硫化鉬/石墨烯異質結電學行為. a, 導電原子力顯微鏡圖. b, 不同堆疊轉角二硫化鉬/石墨烯異質結的電阻分布. c, d, 0度和30度堆疊轉角二硫化鉬/石墨烯異質結隧穿係數熱力分布圖. e, 計算的隧穿係數隨堆疊轉角的變化.
