本文關(guān)鍵詞：二維材料及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電子輸運(yùn)與器件研究

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【摘要】：自從石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來,二維材料獲得了極大的關(guān)注。二維材料有許多有趣的性質(zhì)和潛在的應(yīng)用,被認(rèn)為是后摩爾時代關(guān)鍵材料之一。除了類似于電子與光電器件這種重要應(yīng)用,二維材料還可以應(yīng)用到多種功能化器件中。過去幾年中,由不同二維材料堆疊而成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)在器件設(shè)計與應(yīng)用方向又展現(xiàn)出巨大的潛力。本文將研究包括石墨烯(graphene),二硫化鉬(MoS2),二硫化錸(ReS2)等二維材料及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)的性質(zhì)�；谶@些材料性質(zhì)的研究制備出了幾種功能化器件,例如場效應(yīng)晶體管,邏輯反相器及光電探測器等。首先我們簡要介紹了幾種二維材料及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本性質(zhì)與應(yīng)用,其中包括石墨烯,過渡金屬硫族化物,黑磷等。之后簡要描述了在本文實驗中用到測量平臺及樣品制備方法。測量平臺包括室溫電學(xué)測量平臺,低溫強(qiáng)磁場輸運(yùn)測量平臺及室溫光電測量平臺等。另外還介紹了離子液體技術(shù)與制備異質(zhì)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)移技術(shù)等。包括石墨烯和MoS2在內(nèi)的大部分二維材料都是各向同性的,降低晶格對稱性可以引入各向異性性質(zhì)。第四章中我們研究了一種新型的二維材料二硫化錸(ReS2),其具有扭曲1T結(jié)構(gòu)而存在各向異性性質(zhì)。我們制備了單層及多層ReS2的場效應(yīng)晶體管,性能優(yōu)異。我們研究了ReS2各向異性的電學(xué)性質(zhì),兩個軸的各向異性比值達(dá)到了3.1,在目前所有二維材料中是最高的。之后利用ReS2的特殊性質(zhì),制備了基于ReS2各向異性的邏輯反相器,表明ReS：可以作為未來大規(guī)模集成化邏輯電路的候選材料。利用多層ReS2直接帶隙的特點制備了多層ReS2光電探測器,實現(xiàn)了高達(dá)88600AW-1的響應(yīng)率,這個值在所有相似結(jié)構(gòu)的二維材料光電探測器中是最高的。如此高的響應(yīng)率是由于多層ReS2較強(qiáng)的光吸收率和陷阱態(tài)造成的。利用ReS2光電探測器的高響應(yīng)率實現(xiàn)了對包括打火機(jī)和日光燈在內(nèi)的微弱光源的探測。第六章中研究了石墨烯、MoS2以及二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)的性質(zhì)。首先研究懸浮石墨烯器件壓力下電學(xué)性質(zhì)變化。作為最薄的導(dǎo)電及彈性材料,石墨烯是納米機(jī)電系統(tǒng)的理想材料。之前已經(jīng)詳細(xì)研究過石墨烯的機(jī)電性能,包括單層石墨烯的負(fù)壓電電導(dǎo)效應(yīng)。本文中觀測到了雙層及多層石墨烯的正壓電電導(dǎo)效應(yīng)。這個效應(yīng)是層數(shù)依賴的,三層時最大。我們利用數(shù)值模擬分析,發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致這個效應(yīng)的原因是應(yīng)力誘導(dǎo)的層間耦合與層內(nèi)躍遷之間的競爭。通過熱退火的方式,在懸浮石墨烯上調(diào)控出周期性波紋,利用金屬團(tuán)簇沉積實現(xiàn)了對石墨烯的周期性團(tuán)簇修飾。并設(shè)計了Graphene/h-BN異質(zhì)結(jié)上的大曲率石墨烯氣泡,沉積金屬團(tuán)簇后發(fā)現(xiàn)石墨烯曲率越大,團(tuán)簇密度越小。接著研究了離子液體調(diào)節(jié)下雙層MoS2的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變。利用離子液體誘導(dǎo)出超高載流子濃度,在雙層MoS2中實現(xiàn)了穩(wěn)定的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變,并研究了溫度與磁場對超導(dǎo)電流的影響。另外,利用背柵電壓調(diào)節(jié)實現(xiàn)了對超導(dǎo)電流的開關(guān)。之后提出了一種新的光電探測器異質(zhì)結(jié)構(gòu),p-graphene-n。這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)結(jié)合了原子層p-n結(jié)的高響應(yīng)率和石墨烯的寬光譜探測。制作的光電探測器在可見光波段實現(xiàn)了103 AW-1以上的響應(yīng)率及1012 Jones以上的比探測率。同時在紅外波段也測到了很好的響應(yīng),驗證了這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)的寬光譜探測。利用制備的探測器我們還實現(xiàn)了較高分辨率的光學(xué)成像。最后總結(jié)了本文所有的研究內(nèi)容,并提出了一些問題及今后的研究計劃。
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TB303

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本文編號：1221650