基于温和等离子体技术的二维过渡金属硫化物光电性能调控

The two-dimensional (2D) transition-metal dichalcogenides (TMDs) possess not only high on–off ratio values but also high absorption in the visible light range, and thus have intensive applications in both electronic and optoelectronic devices. However, the modulation of layers and the engineering of defects are still challenges to fabricate pattern structure devices and realize high-performance photoelectric detection based on such materials. According to our in-depth investigation and previous studies, we propose to modulate the layers and engineer the defects of 2D TMDs for preparing pattern structure devices and optoelectronic detection by using a novel soft plasma technique. The main contents include: 1. quantitative investigation of the effects of plasma parameters on the distribution of defects of 2D TMDs aiming to clarify the etching mechanism and identify the optimal experimental conditions; 2. utilizing standard lithographic and plasma techniques to prepare pattern structure devices with different TMD layers, and realizing optoelectronic detection according to the dependence of the optoelectronic performance on the TMD layer numbers; and 3. engineering the defects in TMD materials using soft-plasma technique to realize quantitive control of both defect types and concentrations, and studying the detailed relationship between optoelectronic performance and the defects of TMD materials. Successful execution of this project may provide new thought and new method for both preparation of TMD materials and engineering of their optoelectronic properties, and lay a foudation for future applications in nano-electronics field.

二维过渡金属硫化合物（TMDs）具有非常高的电学开关比以及较强的光学吸收，是二维材料家族中实现光电探测及成像的理想材料。基于层数控制的图形化器件制备及缺陷调控是提升TMDs光电性能的关键因素。本项目将采用温和等离子体技术实现TMDs材料层数与缺陷的控制，以及对光电性能的调控，主要研究内容如下：1.探讨温和等离子体技术在减薄TMDs过程中对其光电性能的影响，并深入分析其中的刻蚀机理；2.利用温和等离子体刻蚀技术实现TMDs的图形化结构，基于不同层数异质结构的图形化器件实现高性能光电探测；3.通过温和等离子体技术对TMDs中的缺陷进行修饰，实现缺陷类型和浓度的定量调控，并探究缺陷与光电性能之间的联系。本项目的成功开展为TMDs材料的制备及光电性能调控提供了新思路和新方法，并为其在未来纳米电子领域的应用打下基础。

层数和缺陷的调控一直是二维半导体材料研究的重点，一种精确可控的调控方法是限制该类材料应用的关键因素，同时稳定性和单层二维半导体材料的大面积制备是一直限制二维半导体材料真正应用的主要因素。在该项目的资助下，课题组主要是基于温和等离子体实现二维硫属化合物性能的调控研究，分别从层数、缺陷、相位、稳定性和层间距几方面展开研究。在层数方面，实现了石墨烯、二硫化钼和二硒化钼低损伤下的逐层刻蚀，获得了单层、双层甚至任意层的石墨烯、二硫化钼和二硒化钼；在稳定性增强方面，实现了BP和InSe薄膜在空气中的稳定性的增强，由原来的一天增加到两周，这主要是由于表面自限制氧化层的保护作用并且氧等离子体处理使BP 在近红外波段的光电响应度从0.03 A/W增加至0.19 A/W；在相位调控方面，实现了十层以内MoTe2样品由半导体相到半金属相的可逆相变，通过在相变后的区域做电极，有效地降低了器件的接触电阻，使MoTe2的跨导由0.37μS 变为了2.6μS，即导电性在原先基础上提升了6倍；在层间距展宽方面，实现了MoS2[O2]x、WS2[O2]x、MoSe2[O2]x和ReS2[O2]x二维分子原子超晶格结构的制备，荧光强度得到了明显的提高，四层MoS2样品荧光强度增加了96倍，构筑的异质结器件在可见光的响应度提升了100倍。共发表相关SCI论文14篇，其中两篇发表于Nature 子刊Nature Communications上（中科院一区，影响因子12.121）；其余论文中，中科院一区共3篇，中科院二区共7篇，总影响因子约为82.56。申请相关发明专利3项；获得2018年中国商业联合会科学技术一等奖（多功能宽密度等离子体技术在新材料行业中的应用，排名6/7，2018.12）， 2018年江苏省教育教学与研究成果三等奖（二维半导体材料及其异质结的制备与性能调控，排名4/5，2018.08）。培养已毕业硕士3名；参加学术会议4人次。项目的顺利完成为实现二维硫属化合物在光电子器件领域的应用奠定了坚实的基础。