半导体性二维过渡金属硫化物的控制合成及器件研究

Controlled synthesis and electronic devices of two-dimensional (2D) transition metal sulfides is an emerging research field in recent years. Semiconducting 2D transistion metal sulfides, such as MoS2 reveal interesting physical phenomena and present unique properties. They are promising candidates for high performance field-effect devices. Here, we propose a new approach for synthesizing highly crystalline 2D transition metal sulfides with controlled number of layers by using single crystals of oxides as templates through sulfidization in gas phase. We will develop new approaches for the non-destructive transfer and patterning of 2D transition metal sulfides, and set up procedures for fabricating electronics devices based on these materials. We will also optimize the performance of electronic devices made on these semiconducting 2D materials and carry out studies on the dependence of performance on the intrinsic properties of materials. Finally, we will explore the ultimate performance that these materials can achieve.

二维过渡金属硫化物的控制合成与器件研究是一个新兴的研究领域，充满着机遇与挑战。以MoS2为代表的半导体性二维过渡金属硫化物蕴含着新奇的物理现象并呈现出优异的物理化学性质，在纳电子器件领域及新型光电器件领域具有重要而深远的应用前景。本项目以实现这一新兴材料体系在纳电子器件领域的实用化为目标，围绕材料的控制合成、电子器件加工与器件性能优化展开。针对实现这类材料控制合成最具挑战性的关键问题，提出了利用氧化物晶体作为模板通过自限制的气相硫化反应合成二维过渡金属硫化物的新思路，建立可控制备半导体性二维过渡金属硫化物的普适方法；发展针对二维过渡金属硫化物的无损转移与图形化方法，建立器件加工工艺；探索基于二维过渡金属硫化物的器件性能优化方法，阐明材料本征性质与器件性能的关系，探求基于这一新型材料体系的器件性能极限。

半导体性二维过渡金属硫化物是一类新型超薄半导体性材料，在纳电子器件领域及新型光电器件领域具有重要应用前景。本项目以实现这一类材料在纳电子器件领域的实用化为目标，围绕材料的控制合成、构效关系研究、电子器件加工与器件性能优化展开。主要研究内容包括：发展制备二维过渡金属硫化物的普适性合成方法并对其层数进行有效控制；研究材料结构与电学性质关系为优化器件性能提供理论指导；发展针对二维过渡金属硫化物的无损转移与图形化方法，建立器件加工工艺；探索基于二维过渡金属硫化物的器件性能优化方法。取得的重要结果包括：发展了基于化学气相沉积与化学气相输运两类方法的二维MoS2控制合成方法并拓展到其他材料体系；建立了基于分子组装识别的二维晶体材料晶向表征方法，阐明了层数与MoS2光谱、电学性质之间的关联；发展了基于水溶性聚合物的二维MoS2的无损转移方法；构建了基于二维MoS2的场效应晶体管，并通过对沟道-电极接触进行优化大幅度提高了器件性能。相关研究发表在Nature Communications、J. Am. Chem. Soc、Angew. Chem.、Adv. Mater.、ACS Nano 等期刊上。这一研究为半导体性二维过渡金属硫化物在电子器件领域的应用奠定了重要的材料与技术基础。