天津大學ACS AMI：二維高質量單層三角形WS2場效應晶體管

【引言】

單層二硫化鎢（WS₂）作為類石墨烯二維過渡金屬硫化物（TMDCs）一員，以其強軌道自旋偶合、能帶分裂和非線性高敏感性等一系列獨特的性質收到了廣大學者的關注。單層WS₂因其較寬的直接帶隙寬度、高理論電子遷移率和光致發光量子產率等特性在半導體光電子和微/納電子器件中具有廣大的應用潛力。雖然大尺寸微米級的WS₂薄膜已經被報道制備出來了，但其品質并不理想；因此成功合成出大面積高質量均勻的單層WS₂單晶片仍然是一個很大的挑戰。

【成果簡介】

天津大學材料科學與工程學院封偉教授課題組在二維原子晶體材料及其應用領域開展了一系列的研究工作（ACS Appl. Mater. Inter.，2016, 8, 19004；J. Mater. Chem. C，2017, 5, 5887-5896；Nanoscale，2018, DOI: 10.1039/C8NR03 091J）。近日，該團隊又在ACS Applied Materials & Interfaces上發表了最新的研究成果：“Two-Dimensional High-Quality Monolayered Triangular WS₂?Flakes for Field-Effect Transistors”。本文通過控制硫源（升華硫粉）的引入時間和鎢源（三氧化鎢）與生長基板之間的距離，來制備合成高均勻性的單層三角形WS₂單晶片。通過透射電子顯微鏡和拉曼光譜來表征WS₂樣品的微觀形貌和結構；測試結果顯示，該方法所制備的三角形WS₂單晶片（邊長可達233μm）具有高質量的化學結構和均勻的單晶性。

【圖文導讀】

圖一?高質量高均勻性單層WS₂單晶片的合成

（a）在SiO₂/Si基板上大面積合成WS₂片的示意圖；（b）合成WS₂片的溫度曲線；（c）（d）在SiO₂/Si基板上生長出的WS₂片的低/高倍率光學顯微照片；（e）生長出的WS₂片的AFM表征圖，厚度為0.77nm。

圖二?合成出的WS₂樣品的XPS光譜和PL光譜表征

（a）WS₂樣品的XPS全譜圖；（b）WS₂樣品中W元素的XPS精細光譜圖；（c）WS₂樣品中S元素的XPS精細光譜圖；（d）WS₂樣品的PL光譜圖。

圖三?合成出的WS₂樣品的拉曼光譜表征

（a）WS₂樣品的拉曼光譜圖；（b）三角形WS₂樣品的光學顯微鏡照片；（c）（d）三角形WS₂樣品的2LA和A_1g振動峰的拉曼mapping照片。

圖四?合成出的三角形WS₂樣品的透射電子顯微鏡（TEM）表征

（a）三角形WS₂樣品的低倍TEM圖；（b）三角形WS₂樣品邊緣的低倍TEM圖；（c）三角形WS₂樣品的EDS 能譜圖；（d）三角形WS₂樣品的高倍TEM圖；（e）（f）（g）（h）選區電子衍射圖，對應著圖中的1、2、3和4區域。

圖五?合成出的三角形WS₂單晶片的電學性能表征

（a）WS₂-FET的低倍光學顯微鏡照片；（b）WS₂-FET的高倍掃描電子顯微鏡照片；（c）WS₂-FET的轉移特性曲線；（d）WS₂-FET的輸出特性曲。

【小結】

該研究通過控制調控硫源（升華硫粉）的引入時間和鎢源（三氧化鎢）與生長基板之間的距離，成功制備合成出了大尺寸（邊長可達233μm）高質量的單層三角形WS₂單晶片。基于單層三角形WS₂單晶片所制備的FET展現出了環境穩定的電學特性；自然環境下（常溫常壓），WS₂-FET的場效應遷移率可達37.6 cm²/Vs，開關比為10⁶；在低溫低壓環境下，WS₂-FET的場效應遷移率可達50.5 cm²/Vs，開關比為10⁷。該項研究結果為單層WS₂單晶片廣泛應用于2D電子器件打下了良好的基礎。

文章的第一作者是博士研究生岳玉琛同學，該研究受到國家重點研發項目（No. 2016YFA0202302）的資助。

文章鏈接：Two-Dimensional High-Quality Monolayered Triangular WS₂?Flakes for Field-Effect Transistors. (ACS Appl. Mater. Interfaces，2018，DOI: 10.1021/acsami. 8b05885).

本文由FOCCTJU供稿。

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