金属与二维半导体材料的界面应力调控和电子输运研究

Two-dimensional semiconductors have recently attracted growing attention because of their important fundamental interests and potential technological applications. The ultrathin nature of monolayers facilitates the modulation of their physical properties by the interface environment, such as charged impurities and structural defects at the interface. The interaction between the metal electrodes and the two-dimensional semiconductors is one of the key factors to affect the performance of electronic and optoelectronic devices based on two-dimensional semiconductors. From the microscopic view, to understand the charge transfer at the metal-semiconductor interface and the effect of interfacial strain on their electrical and optical properties, is very important to the study of metal-semiconductor interactions..This project will systematically study the electron injection, local strain distribution and relaxation at the metal nanoparticle-semiconductor interface by the electrical measurements, spectroscopy, and in situ high-resolution transmission electron microscopy. By using the surface plasmon resonance of metal nanoparticles, the interlayer interactions of different semiconductor materials will be studied. The project will deepen the understanding of the fundamental problems of metal-two-dimensional semiconductor interface, and will provide modulation routes by interface engineering. The investigation will be helpful for the application of electronic and optoelectronic devices based on two-dimensional semiconductors.

二维半导体材料具有广泛的应用前景和重要的基础研究价值，成为材料领域的一个研究热点。极薄的二维材料非常容易受到界面环境的影响，比如界面上的带电杂质、界面引起的结构缺陷等，都会影响其器件性能。其中，金属电极和二维半导体的接触和界面相互作用，是影响电子器件和光电器件性质的关键之一。从微观角度去认识金属和二维半导体界面的电荷转移，以及界面处应力对其电学、光学性质的影响，是研究金属和二维半导体材料相互作用的重要组成部分。本项目将利用电学测量、光谱学方法和原位高分辨透射电镜表征，系统地研究金属纳米颗粒对二维半导体材料的电子注入特性、界面处的局域应力分布和弛豫问题，以及利用金属纳米颗粒的表面等离激元共振研究不同二维半导体材料的层间相互作用。本项目不仅能够加深人们对于金属-二维半导体界面的基本问题的理解，并能够通过界面作用调控二维半导体的性质，同时对于二维半导体材料光电器件的应用也具有重要的借鉴意义。

二维半导体材料由于其独特的物理性质及其在光、电等领域广阔的应用前景成为当前的研究热点。金属电极和二维半导体的接触和界面相互作用是影响二维半导体电子器件和光电器件性质的关键。从微观角度去认识金属和二维半导体材料的界面结构和相互作用，探索其对器件电学、光学性质的影响规律，是获得性能优异的二维半导体器件的有效途径。本项目提出以MoS2二维半导体和贵金属纳米颗粒为主要研究对象，综合运用多种微结构表征和光、电等物理性质测量方法，特别是利用原子分辨原位透射电镜表征方法，结合计算模拟，系统地研究了二维半导体与金属纳米颗粒的界面接触、界面局域应变及界面结构和光学特性演化等。. 在Ag-MoS2界面局域应变随时间弛豫的过程中，观察到MoS2面内振动拉曼峰的劈裂随之变化，发现了金属-二维半导体异质结界面处的应力场分布随时间的演变规律。运用环境气氛球差校正透射电镜对少层MoS2表面沉积Au纳米颗粒的原子排列和结构演化进行了原位研究，发现Au颗粒在电子束辐照下的加速择优取向和聚合生长。研究了蓝宝石、SiO2/Si和云母基底上单层MoS2表面沉积Ag颗粒引起的局域应变，发现单层MoS2与基底之间的界面相互作用是应变演化的关键。. 在Appl. Phys. Rev.、Nano Res.、ACS Appl. Mater. Interfaces等刊物发表SCI论文8篇，产生了广泛的国际影响，被Nature Photon.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.等论文正面评价引用；在国际和国内学术会议做邀请报告各2次，获Poster Award和优秀墙报奖各1次；培养博士研究生2名、硕士研究生2名。研究工作在原子层次揭示了金属与二维半导体材料的界面结构影响材料性能的微观机理，为基于二维半导体材料的光电器件应用研究提供了理论和实验基础。