二维材料能带的化学调控及高迁移率电子器件

Tunable bandgap and electronic structure are important for semiconductor materials’ device applications. With chemical scissors, we can not only shape materials' stoichiometry and morphology, but also their band structure. Some 2D materials, like bilayer graphene, molybdenum disulfide (MoS2), hexagonal boron nitride (h-BN), represent a special family of semiconductor materials, whose bandgaps can be manipulated in different band gap windows. Small bandgap, 0 to 250meV can be acquired on Bernal stacked bilayer graphene structures. Medium bandgap can be opened from 1.29 eV to 1.9 eV in MoS2. For large bandgap h-BN, an ideal substrate for 2D electronics, its bandgap can be shrunk from 6 eV down to 1.5 eV. Our research is aimed to precisely shape these materials towards desired bandgaps and assemble them into high mobility electronic devices.

对于半导体材料，能带隙宽度和结构是决定其器件应用的重要因素。利用化学的方法，我们不仅可以裁剪半导体材料的化学组成、结构和形貌，甚至可以调控背后的能带结构。二维材料中有些特殊的结构，如双层石墨烯、二硫化钼和六方硼氮，代表着一类特殊的半导体材料。这些二维半导体材料的带宽可以在不同的能量范围内被调节。Bernal堆积的双层石墨烯的带宽可以从0 eV调节至250 meV，代表着窄带隙半导体。MoS2的带宽调节范围比较适中，覆盖1.29eV到1.9 eV的区域。而宽带隙半导体h-BN是理想的二维器件衬底，它的带宽可以通过引入晶界或缺陷的方式从6 eV调低至1.5 eV。本课题所研究的工作就是通过化学的手段，精确控制这些二维半导体的带宽，制备出高迁移率的电子器件。

二维半导体材料，如双层石墨烯、二硫化钼等，具有丰富的能带结构和优良的器件性能，在3-5 nm新的工艺节点中具有重要的技术价值和应用潜力。本课题通过化学的手段，精准实现了双层石墨烯薄膜的逐层生长和石墨烯边缘的精准刻蚀；在石墨烯的表面通过外延的方法生长出具有化学选择性的薄膜孔结构，在电子-化学的器件融合方面获得了优异的性能；针对MoS2，PtSe2和MoTe2等二维硫族半导体材料，通过层数控制，元素掺杂以及电负性调控，实现了能带结构和器件性能的精细调制。