应变对单层/少层MoS2纳米片及其器件的性能的影响

Due to their 2D structure and semiconducting properties, single- and few-layer MoS2 have great potential in nano electronic and photoelectronic devices, solar cell, catalyse, spin and quantum devices, etc. Theoretical studies propose strain can change the energy band structure and bandgap of single- and few-layer MoS2, therefore can change their electronic and photoelectronic properties. However, so far, experimental study in this field is rare, and theoretical works have inconsistency. This project is aimed to study the influence of strain to the electronic, optical and photoelectronic properties of single- and few-layer MoS2 and their devices. We would like to answer whether strain can enhance the electronic and photoelectronic properties of MoS2 transistors. We will pursue the potential of MoS2 in strain-sensor, as well as in visible and infrared photodetectors. We will also pursue devices based on new mechanism and new structures. Systematic and quantitative experiments in controlled environments will be performed. Theoretical study will also be done. The project will mainly study the following issues. How the PL spectrum of single- and few-layer MoS2 changes with single-axis strain inside the layer. How strain changes the mobility and subthreshold slope of FETs based on single- and few-layer MoS2. How strain changes the photoelectronic properties of single- and few-layer MoS2 nanodevices. How to realize high performance nanodevices based on the above findings.

单层/少层MoS2由于其二维结构和半导体特性在纳米电子和光电器件、太阳能、催化、自旋和量子器件等领域都有巨大潜力。理论研究显示，应变会改变单层/少层MoS2的能带结构和带隙，从而影响其电学和光学特性。但是，目前这方面的实验研究还极少，已有的理论研究也有相互矛盾。本项目致力于研究应变影响单层/少层MoS2及其器件的电学、光学和光电性能的规律；回答能否通过应变提高MoS2晶体管的电学和光电性能的问题；探索MoS2在应变传感器、可变波长可见光和红外探测器方面的潜力；探索新原理、新结构器件。将以可控环境下系统、定量的实验研究为主，结合理论计算。主要研究：单层/少层MoS2的PL谱随片层内单轴应变的变化；基于单层/少层MoS2的场效应晶体管在应变下载流子迁移率和亚阈值斜率等性能的变化规律；基于单层/少层MoS2的纳米器件的光电性能随应变的变化规律；探索利用上述规律构建新原理、新结构的高性能纳米器件。

本项目首先发展了研究单个纳米材料应变下电学特性变化的方法，建立了基于扫描电镜的原位纳米材料力电特性表征平台，进而将上述研究平台和研究方法成功应用到了一维碳纳米管和InAs纳米线的力电特性研究上，取得了多项创新成果。系统研究了二维MoS2场效应晶体管的特性及其影响因素，取得了多项创新成果：包括发展了一种多端测量方法，实验得到了反映金属-MoS2接触的几个重要参数；发现MoS2和SiO2界面的电荷陷阱是影响MoS2场效应晶体管性能稳定性的一个关键，通过可控充放电可以控制器件的阈值电压；对比了同一片MoS2上的悬空器件和在SiO2基底上的器件的特性，发现除了一些外部因素，MoS2本身对器件转移曲线的回滞也有重要贡献。通过系统的光电测量和电学测量研究了多层—单层MoS2和多层—多层MoS2同质结的特性，发现MoS2二维材料的边缘缺陷态会造成能级钉扎，严重影响结区的能带排布，引起结区的能带弯曲。二维材料多通过机械剥离制备。我们统计分析了六种不同的二维材料（包括石墨烯、BN、MoS2、PtS2、FePS3和黑磷）的剥离，发现它们的层内解理行为各不相同。单层二维材料光吸收截面小，我们发展了利用金纳米颗粒阵列的表面等离子共振增强单层MoS2的PL的方法，最高得到了200倍的PL峰增强。但是，在将二维MoS2器件组装到扫描电镜中的原位力电特性研究平台上时我们遇到了极大的困难，至今还未组装成功。刚刚实现了在有大拉伸范围的柔性基底PDMS上制备MoS2场效应晶体管，但目前器件性能还不稳定。.本项目已发表致谢基金号的SCI论文26篇，另有一篇SCI论文已经被接收；已发表论文已经被SCI引用232次；项目负责人在国际会议上做邀请报告9次,口头报告4次，在全国性学术会议上做邀请报告8次。培养博士研究生6位和硕士生1位。