二维过渡金属硫化物持续光电导机理及其超临界流体调控研究

Two-dimensional layered transition metal dichalcogenides (TMDC) such as MoS2 , WS2 devices are quite promising for next generation wearable and flexible electronics and optoelectronics applications. Two-dimensional photodetector is one of the most important devices in optoelectronics devices, the persistent photoconductivity (PPC) property is frequently encountered in TMDC photodetectors. Targeted on eliminate the effect of PPC, it’s proposed to reveal the mechanism of the PPC by using suspended structures to reduce the influence of charge traps on the TMDC/substrate interface and control of sulfur vacancies and oxygen related defects. Taking the advantage of high penetration penetration properties of gas phase and high density of liquid phase, supercritical fluid treatment could be used to passivate the defects of TMDC layer and TMDC/dielectric interface. Through the guidance of the mechanism of the PPC, supercritical fluid treatment will be utilized to improve the surface of TMDC and TMDC/dielectric interface. In addition, two dimensional hexagonal-boron nitride and atomic layer deposition will be used to cover the surface of TMDC to prevent it from the oxygen or water molecular. This research is supposed to promote our understanding of the ambiguous status of PPC mechanisms of TMDC and other two-dimensional layered materials, and to provide the fundamental supports to the high performance TMDC photodetectors.

以二硫化钼（MoS2）为代表的过渡族金属硫族化合物（TMDC）二维晶体材料和器件在可穿戴的柔性电子、光电子器件等领域有广泛的应用前景。二维光电探测器是二维光电子器件的核心器件，而持续光电导效应是目前制约TMDC二维晶体在光电器件方面应用的首要问题。本项目针对缺乏研究的TMDC二维晶体的持续光电导现象，从悬空结构消除衬底影响、调控材料中硫空位、氧缺陷等方面系统研究TMDC二维晶体的持续光电导机理，建立持续光电导的物理模型。利用超临界流体同时具有气态的穿透性和液态的高密度的优点, 对TMDC二维晶体及TMDC/介质层界面缺陷进行钝化, 在此基础上结合二维六方氮化硼和原子层沉积包覆技术研究TMDC二维晶体持续光电导特性的调控规律。揭示内部缺陷和外在环境对二维晶体TMDC持续光电导影响的物理机制，改善TMDC二维晶体的持续光电导，为实现高响应速度的二维晶体TMDC光电探测器提供理论依据与指导。

光电信号的转换在我们的日常生活中具有举足轻重的地位。视频成像、光通讯、生物成像、安全、夜视、气体传感和运动监测等设备都需要高性能、大面积的光电信号转换技术。新型原子层厚度的二维过渡族金属硫化物（TMDC）光电探测器需兼具高速、宽光谱、柔性、透明以及和互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺相兼容等优点，因此受到研究人员关注。不过，针对MoS2等TMDC的持续光电导的影响机理和调控方面的研究的还比较少。本项目主要从六方氮化硼（h-BN）包覆隔绝空气影响、悬空的MoS2器件等方面来系统研究以MoS2为代表的过渡族金属硫化物的光电特性的变化规律，并采用微机电系统（MEMS）梳齿驱动器对TMDC材料及器件进行应变调控。本课题系统研究了干法转移工艺，将所需要的二维半导体材料MoS2和h-BN定向转移到SiO2/Si衬底上，制备了h-BN包覆的MoS2器件，系统研究其光电探测性能。采用CVD方法制备了高质量的单层及多层的MoS2、MoTe2等二维材料，并对其进行了系统表征。结合上述的干法转移工艺以及具有授权专利的转移技术，将CVD方法和干法转移方法结合起来，能够很好的制备大面积二维光电探测器阵列。采用高质量的二维材料、结合干法转移工艺，设计并实现了基于绝缘体上硅（SOI）的微机电系统（MEMS）梳齿驱动器，将MoS2、石墨烯、h-BN等二维材料集成到硅基MEMS驱动器上，实现了硅基MEMS与二维材料的集成，后续可对二维半导体材料的光电探测性能进行有效的应变调控。最后，我们将二维半导体扩展到新型超宽禁带半导体β-Ga2O3上，将我们得到的持续光电导和界面层陷阱等的机理和理解应用到该新型准二维超宽禁带半导体β-Ga2O3材料上，有望扩展该领域的认识。本项目的研究对实现高响应速度的二维晶体TMDC光电探测器及其调控提供理论依据与指导。