新型过渡金属硫属化合物二维半导体：可控制备、物性表征及光电子器件

Due to the unique physical and chemical properties, two-dimensional (2D) transition metal dichalcogenide (TMDC) semiconducting materials demonstrate great potential applications in electronics and optoelectronics. Most of 2D TMDCs have direct band structures only in the monolayer form. However, the growth of single-layer TMDC with large-scale is very difficult, which limits the practical application in high-performance optoelectronic device. In contrast to monolayer, multilayer has a more realistic prospect due to its higher surface state density and relative ease to obtain large-area material. Recently, ReS2 was found to be the first TMDC material with a direct band gap in both bulk and monolayer forms. This opened new opportunities for practical optoelectronic applications of TMDC materials: multilayer materials can achieve high-performance optoelectronic devices. Unfortunately, Re content in the crust is very low. In order to realize extensively practical applications, new direct band gap TMDCs must be explored. Therefore, this proposal will focus on the controllable growth, properties and optoelectronic applications of MX2 (M = Re, Zr, Hf; X = S, Se) and MSxSe2-x ((0 ≤ x ≤ 2). On the one hand, we explore the new materials with a direct band gap, just similar to ReS2. On the other hand, we systematically investigate Zr- and Hf-based TMDCs to fill the research blank. We believe we will make a series of innovative achievements and this study will play a significant role in promoting the practical applications of TMDCs.

过渡金属硫属化合物(TMDC)二维材料在电子、光电子器件领域具有广阔的应用前景。大部分TMDC二维材料只在单层形态下才是直接带隙结构，然而大面积单层材料的生长非常困难，影响了其在高效光电子器件中的实用化前景。相比于单层，多层材料具有更高的表面态密度及相对容易获得大面积制备，具有更实际的应用前景。块体和单层均为直接带隙的ReS2的发现打开了一个新局面：采用多层材料也可以获得较高的光电子性能。然而Re在地壳中含量非常低，为了大规模的应用，必须探索新型直接带隙材料。因此，本研究将围绕MX2(M = Re, Zr, Hf; X = S, Se)及MSxSe2-x(0 ≤ x ≤ 2)等新型二维半导体的可控制备、物性表征及光电子器件展开工作。一方面探索具有类似ReS2直接带隙性质的TMDC材料，另一方面针对Zr-基和Hf-基TMDC二维材料的研究空白，展开系统深入的研究。

由于其合适的带隙、超薄的物理厚度、光滑无悬挂键表面等独特的物理性质，过渡金属硫属化合物（TMDC）二维材料在电子、光电子器件领域展现出广阔的应用前景。当前，尽管MoS2、黑磷等二维材料已经表现出突出的物理性质，然而，我们应该也注意到它们的性能还无法满足实际器件的需要。因此，急需探索更多新型TMDC二维材料，从材料制备、物性表征调控和光电子器件应用等方面系统深入地展开研究，从而为将来新型二维电子、光电子器件应用打下坚实的基础。.具体研究成果如下：.（1）系统地研究了Hf和Re基硫族化合物材料及其光电性质：首次报道了一种HfS2光电晶体管，其性能显著依赖于材料厚度、电极接触和外部栅压；首次制备了HfS2顶栅光电晶体管器件，我们发现由于HfS2的自修饰作用，生长HfO2介电层无需缓冲层辅助；发现了一种优良的n型半导体HfSe2，在不做任何优化的前提下，其迁移率超过了同等条件下的MoS2。发展了一种化学气相沉积法制备超薄层的ReS2，其厚度分布大约在4~15nm之间，并且发现了其中S空位对材料电学性能和传感性能的影响机制。.（2）碲化钼是一类重要的新型双极性半导体光电材料。通过电极接触界面优化，提升了碲化钼载流子迁移率1个量级；通过引入铁电聚合物P(VDF-TrFE)的偶极电场，实现了碲化钼沟道材料的n性有效掺杂，电子迁移率提高4倍、空穴迁移率提高40倍。通过施加两个背栅电场，实现了可控调节的p-n结性能。通过构建碲化钼/硫化钼非对称异质结构，实现集整流、存储、光电晶体管为一体的多功能高性能电子器件。.（3）利用化学气相沉积的方法，我们首次实现了面内拼接硫化钨-硫化铌异质结，金属性硫化铌作为电极，实现了很好的金半接触，有望进一步解决电子器件中接触电阻大的问题。.在本项目资助下，共发表SCI论文51篇，其中包括Nature Electronics、Science Advances、Advanced Materials和Nano Letters等在内的影响因子大于10的论文23篇。申请中国专利4项，其中已授权1项。