类石墨烯二硫化钼的第一性原理研究 - 图文(8)

类石墨烯二硫化钼的第一性原理研究

图1-19 单层MoS2在不同应力下的能带结构[91]

同时，研究表明通过二硫化钼的能带结构还能够通过改变其放置衬底类型、边缘结构、掺杂类型以及温度等来实现[93-100]。

1.4.3 类石墨烯MoS2的光电性质

石墨烯晶体管作为沟道材料的一个重要劣势在于其零带隙。为了打开石墨烯的带隙，研究者提出了多种方案，但是人为的在石墨烯中引入带隙在目前仍然是很困难，也一定程度上制约了基于石墨烯的微纳电子器件的发展。与石墨烯不同，单层和少层二硫化钼是一个半导体，其带隙宽度随着二硫化钼厚度变化而变化，不存在着人造带隙的问题。块体的MoS2的带隙宽度为1.29 eV；当MoS2的厚度为单层时，其带隙宽度为1.8 eV，而且为直接带隙半导体。

作为衡量半导体导电性能的重要参数指标，迁移率决定了半导体材料的电导率，进而影响相关器件的工作速度和频率。虽然与石墨烯的高载流子迁移率相比，二硫化钼的迁移率处于劣势，第一性原理计算结果发现在高温时迁移率只有400 cm2/Vs，但是在低温下（小于100 K）时却可以高达2450 cm2/Vs，基本可以和石墨烯媲美。二硫化钼在高低温下载流子迁移率相差很大，其载流子迁移率和载流子散射过程是声学声子和光学声子两者共同作用的结果，在高温时主要是光学声子为主，而在低温区则是以声学声子为主[101, 102]。MoS2强的电子—声子相互作用甚至还会促使二硫化钼具有超导性质[103-105]。

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(a) (b)

图1-20 温度和载流子浓度对MoS2的迁移率的影响[102, 106]

另外，理论计算还表明二硫化钼的电子有效质量比较大，其在K点的电子有效质量在0.48 me[102]，远大于石墨烯的0.012 me[107]。

图1-21 不同应力下MoS2的光学性质和能带结构及其测试原理示意图[91]

同时二硫化钼的电流开光比非常大，可达到108[108]。这些优异的性能使得二硫化钼低维结构非常适合用来构筑新一代的微纳电子器件。

如前所述，当二硫化钼的厚度减小到一个结构单层时，其带隙类型变为了直接带隙，使得二硫化钼成为了一个探索光学特性和构建光电子器件的全新研究对象。二硫化钼特殊的几何结构和能带结构，使其展现出独特的光吸收、荧光

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（photoluminescence，PL）发射等光物理性质。对这些光物理性质的深入研究，可以极大地推动基于二硫化钼的新型光电子器件的设计、构筑与开发。

二硫化钼的光学性质与二硫化钼的层数有密切的关联。在光吸收方面，块体的二硫化钼母体是间隙半导体，不存在吸收特征峰；而二硫化钼的厚度减小到单层时它变为了直隙半导体，通过紫外吸收光谱实验，结果表明其在620 和670 nm附近会出现两个明显的特征吸收峰，分别对应于A和B两种垂直的价带--导带跃迁方式[109]。 二硫化钼的光致发光性质是当前研究的一个热点[88, 110, 111]，它能够从实验上直接证实二硫化钼的直接带隙和间接带隙转变。二硫化钼的光致发光光谱在1.92 eV和

2.08 eV附近存在A和B两个特征激子峰；同时在1.59 eV附近还存在一个由间接带隙引起的I峰。

(a)

(b)

图1-22 不同温度下（a）单层和（b）双层MoS2的PL谱图[112, 113]

其中A和B两个反应K点电子结构的特征峰被认为是由价带处的自旋轨道能级劈裂引起，而I峰则对二硫化钼的层数非常敏感，其峰值位置将会随着层数的减小发生蓝移[83]。和其能带结构的特点相同，二硫化钼的光物理性质也极易受到衬底、电场、温度和应变效应的影响[112-116]。美国麻省理工学院的Ju Li等人研究发现通过应变调控可以连续的调节带隙宽度，进而拓展二硫化钼的光谱吸收范围以及捕获激子和电荷的能力。在一定的温度条件下，间接带隙的少层MoS2的光致发光特性会表现为直接

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带隙半导体的特征，美国加利福尼亚大学Junqiao Wu等人认为升温后层间距增加导致的层间相互作用力减弱是这种转变的关键因素[113]，而新加坡国立大学的Goki Eda等人则认为该转变也来源于热膨胀引起的相对较弱的层内晶格畸变[112]。

1.4.4 类石墨烯MoS2的其它性质

此外，MoS2还是一种高强度的力学材料，其机械强度和杨氏模量甚至超过了传统的钢材料。Andras Kis等人将单层和双层的MoS2悬空后利用原子力显微镜的针尖对其施加应变并最终使其破裂，研究发现 单层MoS2的杨氏模量达到270 Gpa，与不锈钢相当；而其断裂强度可达到23 Gpa，是不锈钢的20多倍；且在在施加11 %的形变时

MoS2仍然不会出现断裂的现象[117]。表1-1给出了单层MoS2、块状MoS2与其它材料的力学参数对比。

表1-1 单层MoS2、块状MoS2与其它材料的力学参数[117]

1.4.5 类石墨烯MoS2在光电子器件中的应用

（1）场效应管

场效应晶体管（Field-effect transisitor, FET）是数字逻辑电路的最基本电子元件，也是现在微电子技术中应用较多的一种重要器件。电流开关比是评估场效应晶体管性质的最基本参数指标之一，一般认为当开关比在104到107之间时FET才可以实现电流的有效关断，只有这样才可以保证场效应管能够有足够低的静态功耗，因此FET的沟道材料必须要一定宽度的带隙，一般认为其禁带宽度最低要超过0.4 eV。单层二

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硫化钼是直接带隙半导体，仅有几个原子层厚因此将其作为电子器件时可以在提高能效的同时，还能降低成本和重量。同时，二硫化钼的表面没有悬挂键且电荷杂质少，其二维层状结构特点也与硅工业兼容，因此二硫化钼被认为是一类非常有前途的电子器件材料[108]。

图1-23 基于单层MoS2构筑的场效应管及其性能[108]

理论和实验研究都表明，基于二硫化钼构建的电子器件能够拥有较高电子迁移率（200 cm2/Vs到400 cm2/Vs）[102, 119, 120]、极高的电流开关比（大于1010）和大的跨导 …… 此处隐藏：996字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……