二维硒化镓材料的光机电特性研究

Gallium selenide (GaSe) is a typical layered AIIIBVI binary chalcogenides. Different from the semimetallic graphene (zero band gap), GaSe is especially interesting for its nonzero band gap (semiconductor) and strong photoluminescence (PL) in single-layer form, which demonstrates unique mechanical, electrical and optical properties. In this project, we fabricate the GaSe flakes on stiff (silicon/glass wafer) and flexible (PET/PDMS) substrates by mechanical exfoliation from bulk 2H-GaSe. Then the thickness, crystal structure, defects and energy bandgap are investigated by the atomic force microscope, Raman, infrared absorption and PL measurements. The GaSe flakes on stiff substrate are used for gas sensing and photo-detection. By choosing different gas (NH3 and NO) and the gas concentrations, we can obtain the optimal gas sensitivity. By changing the excitation wavelength and intensity, we can obtain the optimal photo-detection range. Furthermore, strain is introduced into the GaSe flakes by mechanically tension and squeezing the flexible substrate. Then we investigate strain effect on the optoelectric, mechatronic and piezo-phototropic properties. The fulfillments of this proposal will not only deepen our understanding on the two dimensional semiconductor materials, but also provide experimental bases for the applications of GaSe in the fields of piezo-phototropics, optoelectronics, sensing, wearable devices and human-machine interfaces.

硒化镓是层状二维晶体材料。与零带隙的石墨烯不同，硒化镓来自AIIIBVI材料家族，是一种宽带隙半导体，因而表现出特有的力学、光学、电学特性，使其在纳米光电器件、集成电路、人工智能及可穿戴装置等领域有着重要的应用价值。本项目通过微机械力剥离法获得不同层数的硒化镓纳米片，并将其分别转移到刚性（硅或玻璃）和柔性（PET或PDMS）衬底上，进行形貌和光谱特性表征，研究其晶格结构、缺陷以及能带结构等性质。进一步利用微加工技术将硒化镓纳米片加工成电子器件与柔性电子器件。对硅衬底的电子器件进行气体传感与光电探测的性能测试，获得最优的气敏响应度和光响应度；另一方面，利用拉伸平台对柔性电子器件进行连续的形变操控，研究应力对硒化镓纳米片的光电、机电、压电等相关性质的影响。本项目的研究成果不仅可以加深我们对二维半导体材料性质的理解，而且为二维硒化镓材料在柔性电子、可穿戴器件、人工智能等方面的应用提供实验基础。

宽带隙半导体二维材料特有的力学、光学、电学特性使其在纳米光电器件、集成电路、逻辑电路、人工智能及可穿戴装置等领域有着重要的应用价值。在本项目的资助下，我们以硒化镓、硒化锡、硒化钼、硫化钽以及硫化锡等宽带隙半导体二维材料为研究对象，分别研究了它们的光学、力学以及电学特性，并进一步将其加工成电子器件与柔性电子器件，进行气体传感与光电探测的性能测试，获得了最优的气敏响应度和光电响应度。主要研究成果如下：（1）通过化学气相沉积法和机械剥离法制备了不同层数的硒化镓纳米片，借助高分辨电子显微镜、拉曼以及荧光等方法对其晶格结构、层数以及带隙结构和发光性质进行表征；进一步制备柔性电子器件，研究了形变对其光电性能、气敏特性的影响，实现了对0.5ppb 二氧化氮的超灵敏探测。（2）通过机械剥离法制备了少数层硫化钽二维材料，结合变温拉曼和密度泛函理论研究了过渡金属硫族化合物中电荷密度波与相位关系。（3）通过化学气相沉积法制备了硒化锡二维薄片，探测其伏安特性，并基于电阻变化实现了对1ppm 二氧化氮气体检测，通过密度泛函揭示其电荷转移机制及气体传感原理；通过在硒化锡二维薄片上修饰金纳米颗粒，构建肖特基结，获得对气体分子与二维材料间电荷转移的调控，进一步实现对其气体传感特性的调控。综上所述，本项目的研究成果不仅加深了我们对宽带隙二维半导体材料性质的理解，而且为二维硒化镓材料在光电探测、气体传感、柔性电子、可穿戴器件、人工智能等方面的应用提供实验基础。