從1947年*一只晶體管的誕生，到1958年*一塊集成電路的出現(xiàn)，微電子技術(shù)歷經(jīng)了半個多世紀(jì)的發(fā)展，現(xiàn)如今給人類社會發(fā)展帶來了方便。作為信息產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)的半導(dǎo)體材料是微電子、光電子及太陽能等工業(yè)的基石，對我國的工業(yè)、科技以及國防事業(yè)發(fā)展都有至關(guān)重要的意義。石墨烯作為典型的二維納米材料材料，具備化學(xué)、光、電、機械等一系列優(yōu)良的特性而得到廣泛應(yīng)用，但石墨烯存在零帶隙、光吸收率低等缺點限制了其更廣泛的應(yīng)用，與此同時類石墨烯材料應(yīng)運而生，過渡金屬硫族化合物（Transition Metal Dichalcogenides, TMDs）作為類石墨烯材料的典型代表不僅具備類似石墨烯的范德華力結(jié)合的層狀結(jié)構(gòu)，還擁有優(yōu)異的光、電、磁等性能，更好地彌補了石墨烯的缺點，大大拓寬了半導(dǎo)體材料的實際應(yīng)用范圍。

硫化鉑(Platinum sulfide, PtS₂)作為TMDs家族的重要成員，具有較寬且可調(diào)帶隙、光-物質(zhì)相互作用強和穩(wěn)定性好等特點，是半導(dǎo)體器件的潛在候選者。特別是近年來伴隨著電子元器件尺寸的進(jìn)一步縮小和集成程度提高，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的瓶頸愈加凸顯，TMDs的出現(xiàn)給現(xiàn)代電子技術(shù)領(lǐng)域帶來了新的發(fā)展機遇。然而當(dāng)今二維材料共同面對的比如材料面積不大、不易轉(zhuǎn)移等問題對半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展形成了一定的影響。

針對上述問題，2021年初，云南大學(xué)材料與能源學(xué)院、云南省微納材料與技術(shù)重點實驗室楊鵬，萬艷芬團隊通過物理氣相沉積(Physical vapor deposition, PVD)和化學(xué)氣相沉積(Chemical vapor deposition, CVD)相結(jié)合的方式實現(xiàn)制備大面積(cm²)少層、均勻的PtS₂材料并表征了相關(guān)物理特性，昆明理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院王梟團隊提供理論計算支持。

 

圖1 (a)PtS₂的原子構(gòu)型 (b)大面積少層PtS₂光學(xué)圖像 (c)少層PtS₂光學(xué)顯微鏡圖 (d)少層PtS₂上不同位置的AFM高度分布。

 

圖2 (a)剝離的的PtS₂高分辨透射電子顯微鏡圖像 (b)晶格條紋圖 (c)對應(yīng)紅色方框的快速傅里葉變換衍射圖。

 

圖3 (a)單層PtS₂的能帶和態(tài)密度 (b)雙層PtS₂的能帶結(jié)構(gòu) (c)PtS₂塊體材料的能帶結(jié)構(gòu) (d) 不同層數(shù)的PtS₂的帶隙值變化圖 (e)不同層數(shù)PtS₂的導(dǎo)帶和價帶變化

 

圖4 (a)大面積少層PtS₂的制備示意圖 (b)樣品三個不同位置獲得的拉曼光譜 (c) PtS₂的光致發(fā)光光譜

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圖5 (a)少層PtS₂的X-射線光電子能譜(XPS) (b) Pt的XPS能譜 (c) S的XPS能譜

 

圖6 (a)少層PtS₂掃描電鏡圖像 (b)少層PtS₂元素含量 (c) Pt元素mapping圖 (d) S元素mapping圖

 

圖7 少層PtS₂的偏振拉曼測量 (a)角度分辨偏振拉曼光譜原理圖 (b)分別在溫度300K(藍(lán)線)、200K(黑線)、100K(紅線)、12K(綠線)不同偏振角度下拉曼振動模式的強度變化（點是實驗數(shù)據(jù)，實線是對數(shù)據(jù)的擬合）(c - f)溫度為300 K (c)、200 K (d)、100 K (e)和12K (f)偏振拉曼振動模式強度極性圖

 

圖8 大面積少層PtS₂的場效應(yīng)晶體管（Field effect transistor, FET)特性 (a) FET示意圖 (b) FET的Is - Vds特性 (c)不同漏源極電壓FET器件Id-Vbg轉(zhuǎn)移曲線 (d) FET的Is - Vds輸出曲線

 

圖9 大面積少層PtS₂的光電流特性 (a)光電器件橫截面圖 (b) PtS₂光電器件在不同光功率下的電流- Vg曲線 (c) PtS₂ 光電器件在不同光功率下的電流- Vds曲線

 圖10 大面積少層PtS₂的C-V性能 (a)不同探測頻率下PtS₂的C-V特性 (b)在-1V、0V、1V不同偏壓下，電容隨頻率的變化圖

 

圖11 PtS₂在SiO₂/Si襯底上的KPFM圖像 (a) PtS₂樣品的AFM高度圖 (b)基于開爾文探針力顯微鏡（Kelvin probe force microscope, KPFM ）測量PtS₂的功函數(shù)圖像 (c)PtS₂的功函數(shù)展示 (d)基于開爾文探針力顯微鏡（Kelvin probe force microscope, KPFM ）測量PtS₂的表面電勢圖像 (e) PtS₂的表面電勢展示

 

圖12 (a) PtS₂表面的靜電勢分布 (b)單層PtS₂的靜電勢和功函數(shù) (c)不同層間PtS₂的功函數(shù)變化

 

圖13 PtS₂的拉曼光譜強度在氧等離子體處理前后的變化 (a) O₂等離子體處理PtS₂的示意圖(b)O₂等離子體處理不同時間的拉曼光譜變化 (c)O₂等離子體處理時間為分鐘數(shù)量級的拉曼光譜變化

總結(jié)

綜上所述，作者通過物理氣相沉積與化學(xué)氣相沉積相結(jié)合的方式實現(xiàn)了大面積、均勻性的PtS₂材料制備，同樣地，將實驗與計算模擬相結(jié)合的方式對PtS₂的合成、結(jié)構(gòu)以及物理特性進(jìn)行了探究，展示了PtS₂的原子結(jié)構(gòu)示意圖、溫度依賴極化拉曼光譜及光電器件搭建測試等工作。大面積的少層材料制備可降低光電器件的搭建難度以及提高材料轉(zhuǎn)移的成功率。該項制備策略提供了作為合成部分其他TMDs材料的通用方法。

相關(guān)研究成果以“Large-area uniform few-layer PtS₂: Synthesis, Structure and Physical Properties, ”發(fā)表在國際材料學(xué)術(shù)刊物Materials Today Physics上，文章*一作者為云南大學(xué)材料與能源學(xué)院研究生陸江偉，通訊作者為楊鵬、萬艷芬、王梟，該研究得到了國家自然科學(xué)基金、云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計劃項目、云南大學(xué)高層次引進(jìn)人才經(jīng)費的支持。

 

本研究采用北京卓立漢光儀器有限公司一系列光學(xué)產(chǎn)品，如光學(xué)平臺、偏振濾光片等，如需了解該產(chǎn)品，歡迎咨詢我司。

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