金属纳米颗粒对MoS2等二维半导体材料的增强光学效应及其应用研究

Two-dimensional (2D) transition metal dichalcogenide (TMD) semiconductors have tremendous application potential in photoelectronic devices, while their intrinsic characteristics of atomic thickness results in their very low optical adsorption. Using the plasmon resonance effect of metals to enhance the interaction between incident light and 2D TMD is an effective way to enhance the optical properties and photocurrent of 2D TMD materials. However, the physical mechanism still needs further study, and how to achieve the best enhancement through rational designing the metal nanostructure is still a great challenge. This project plans to fabricate metal nanoparticles with different and controllable sizes and shapes through chemical methods; systematically study the nanoparticles’ enhancement effects to the optical properties of 2D TMDs, such as MoS2; pursue the law and physical mechanism of the surface plasmon resonance effect of metal nanoparticles to enhance the optical properties of 2D materials; find the optimum condition to achieve the best enhancemence through changing the size, shape, density of the nanoparticles and the covering dielectric layer; design and fabricate 1-2 kinds of high performance prototype phototransistors based on the above achievements. The completement of this project will enhance the understanding on the mechanism of the interaction between 2D TMD materials and light, and also open the way to the applications of 2D TMD materials.

二维过渡金属二硫族化合物（TMD）半导体在光电子器件领域有巨大应用前景，而其原子层厚度的内禀特性决定了其极低的光吸收率。利用金属的等离子体共振效应来提高入射光与二维TMD材料的相互作用是提高二维TMD材料的光学性质及光电流的一种有效方法。但其中的物理机制还需更深入地研究，且如何通过理性设计金属纳米结构达到最好的增强效果还是一个重大挑战。本项目拟采用化学方法可控制备不同尺寸和形状的金属纳米颗粒，系统研究纳米颗粒对MoS2等二维TMD材料光学性质的增强效应；探索纳米颗粒表面等离子体共振对二维材料光学性质增强的规律和物理机理；通过改变纳米颗粒的尺寸、形状、密度、包覆的介质等寻找达到最强增强效果的优化条件；基于上述研究成果设计、制备1-2种基于金属纳米颗粒与单层TMD半导体复合结构的高性能光电三极管原型器件。本项目的完成将深化对二维TMD材料与光相互作用机理的理解，并为其应用开辟道路。

二维半导体材料在光电子器件领域有巨大的应用前景。但典型的MoS2在多层时是间接带隙、单层时是直接带隙，而单层材料的光吸收很低。新近发现了铁电二维半导体a-In2Se3，其块体和多层是直接带隙，但其电学和光电特性以及相关器件还很少被研究。本项目研究了金纳米颗粒和金纳米颗粒薄膜的可控制备；金纳米颗粒表面等离激元对MoS2的PL的影响；利用TFSI分子修饰进一步提高了MoS2的PL，发现金纳米颗粒和TFSI的修饰作用对两种激子的发光影响不同；基于金属纳米颗粒与单层MoS2的复合结构研制了几种电子器件和光电器件，并研究了其性能；完成了申请书的研究内容。进一步，还研究了a-In2Se3的电学和光电特性；发现了a-In2Se3的带隙随其厚度的减小而增大的规律；研究了a-In2Se3与金属的接触性质，发现了强烈的费米钉扎效应；研制了基于少层a-In2Se3的光电探测器，在室温大气环境下有从紫外到短波红外的宽谱响应，并发现了器件对短波红外有响应的原因；基于WSe2/In2Se3异质结研制了光电器件，器件的暗电流在-1伏偏压下被有效压制到10-13^A，整流比达7.37×10^3；首次研制出了基于铁电半导体（a-In2Se3）沟道和普通栅介质的新型突触晶体管，模拟出了各种突触行为；又基于顶栅器件结构和高k介质研制出了超低功耗的-In2Se3突触晶体管，单次脉冲动作的功耗仅3.36 fJ，低于生物突触的单次电脉冲动作功耗10 fJ。上述成果对发展新型光电器件和突触器件有重要意义。本项目共发表致谢该基金的SCI论文18篇（多篇论文被选为封面文章。这些文章已被SCI引用200余次）、学术专著章节1篇；申请并获得授权发明专利1项；在国际会议上做邀请报告1次、口头报告1次、墙报展示1次，在全国性学术会议上做口头报告1次。培养了博士研究生6人（其中4人已毕业）、硕士研究生1人（已毕业）。