浙江大学ACS nano 最新综述:2D材料与3D材料间的接触


如今,各种2D材料层出不穷,科学家也做了大量的工作研究它们的物理化学性质,以期望能够打破传统硅基技术的物理极限,给纳米电子学注入新的活力。朝气蓬勃的2D电子学向着各个方向飞速发展,与此同时,关于2D材料的范德华异质结的研究也备受关注,异质结中最重要的就是接触问题。

近日,浙江大学徐杨等人将2D材料与3D材料的接触分为四类,包括金属与石墨烯的接触,金属与2D半导体的接触,石墨烯与传统半导体的接触和2D半导体与传统半导体的接触,并且总结了四类界面接触的研究状况,分析了界面形成的异质结的性质和应用。这篇文献为科研工作者和产业界指出了2D/3D材料接触的发展状况和问题,并指出了未来的研究方向。

Part 1 金属与石墨烯的接触

对于任何电子器件的发展,活性层的可靠性电子接触是第一步。对于研究沟道材料的内在输运性质和提高器件性能而言,欧姆接触的精确表征或者肖特基接触的控制都是非常重要的。文章首先介绍了传统半导体器件中的接触阻抗表征方法——转移长度法(TLM),及其在新型2D材料中的贡献,并总结了金属/石墨烯接触的应用发展情况。

1

图1 传统半导体器件中测量接触电阻Rc和转移长度LT的转移长度法(TLM):(A)测量装置的俯视图;(B)测量装置的侧视图;(C)沟道长度L和总电阻Rtotal的变化曲线:横坐标的截距为二倍的转移长度,纵坐标的截距为二倍的接触电阻。

2

图2 金属-石墨烯接触的电子输运:(A)传输概率:TMG为从金属注入石墨烯的载流子,TK为石墨烯沟道内的载流子;(B)金属-石墨烯界面的能带示意图;(C)石墨烯p-n结的能带示意图。
3
图3 多层FET电流分布的阻抗网络模型:(A)插图为电流开关比的实验数据,开状态和关状态的沟道电导,及对应的拟合曲线;(B)阻抗网络模型示意图,Ri为每层石墨烯的阻抗,Rint为层间阻抗。
4
图4 石墨烯的边缘接触:(A)单层石墨烯被封装在氮化硼中,边缘暴露在空气中,当Cr/Pd/Au(1/15/60nm)沉积在边缘,形成边缘接触;(B)上图为扫描电子显微镜成像图片,下图为电子能量损耗能谱图,证实了边缘接触的形成。

5

图5 各种NO2气体传感器的能带示意图:(A)石墨烯NO2气体传感器工作过程的能带示意图;(B)SnO2界面NO2气体传感器工作过程的能带示意图;(C)石墨烯-SnO2界面NO2气体传感器工作过程的能带示意图;(D)SnO2纳米粒子与NO2的反应机理;(E)混合少量石墨烯的SnO2纳米粒子与NO2的反应机理;(F)混合很多石墨烯的SnO2纳米粒子与NO2的反应机理。

Part 2 金属与2D半导体的接触

在石墨烯研究的基础上,金属与其他2D材料,特别是TMDs(MoS2,MoSe2,WS2等),BP等,形成的接触在近几年也被做了大量的研究工作。与石墨烯不一样,这些2D半导体拥有可调能隙,为不同的器件应用提供了巨大的潜力。因此,本部分主要集中在MoS2领域的系统讨论和BP领域的研究进展,并归纳对该部分的应用发展状况。

6

图6 Ni/MoS2节的肖特基势垒高度(SBH):(A)不同温度条件下,固定源漏电压VDS,源漏电流IDS随背栅电压VGS的变化曲线;(B)有效载流子高度随背栅电压VGS的变化曲线;(C)A图数据的Arrhenius类型曲线;(D)不同功函数的SBH。

7

图7 背栅Ti/Au接触MoS2 FET的能带示意图,展现了不同Vbg和Vds的源极和漏极的肖特基载流子。

8

图 8 (A)石墨烯/WS2/石墨烯结构光捕获器件的结构示意图;(B)Au纳米棒/SiO2/Si结构的极化分解散射光谱;(C)WS2/SiO2/Si结构的散射光谱;(D-F)在WS2/SiO2/Si结构上,不同长度纳米棒对应的发射极化分解散射光谱;(D)612nm波长下,计算出的近场密度图;(H-J)在WS2/SiO2/Si结构上,计算得到的不同长度纳米棒对应的发射极化分解散射光谱。
9
图9 (A)MoS2上银纳米盘阵列的结构示意图;(B)纳米盘阵列的SEM成像;(C)B图中对应纳米盘阵列的集成光致发光强度分布图;(D)纳米盘阵列的光致发光光谱。

10

图10 (A)NO2诱导P型掺杂源极/漏极接触的WSe2 FET的结构示意图;(B)NO2诱导前后,器件的输运特征曲线;(C,D)从B图数据计算出器件的有效空穴迁移率和输出特征曲线;(E)K原子诱导n型掺杂源极/漏极接触的WSe2 FET的结构示意图;(F)诱导前和分别诱导1,20,40,70和120分钟的输运特征曲线;(G)诱导120分钟后,器件的输运特征曲线,插图展示了器件的有效电子迁移率曲线;(H)器件的输出特征曲线。

Part 3 石墨烯和传统半导体的接触

当石墨烯与传统半导体形成接触时,石墨烯作为透明的半金属,在肖特基节为基础的光电应用领域具有巨大的潜在价值,有望代替普通金属。在这个部分,文章从基础的3D肖特基节模型为入手点,总结了已经报道的石墨烯-传统半导体肖特基节的实验方法,回顾了已有的2D-3D半导体系统模型,并归纳了该体系的应用领域。

11

图11 石墨烯/肖特基/硅肖特基节的SBH和理想因子:(A)器件结构示意图;(B)根据热电子发射模型,电流-电压曲线的线性拟合;(C)饱和电流随温度的变化曲线。

12

图12 石墨烯和Si,GaAs,SiC分别形成肖特基节SHB的C-V曲线。

13

图13 利用阻抗光谱研究SBH:(A)器件分布和对应的电路原理图;(B)测量出的阻抗光谱;(C)B图数据中的拟合参数;(D)电容-电压特征曲线。
14
图14 利用传导原子力显微镜(CAFM)表征石墨烯/SiC肖特基节的不均匀性:(A)少层沉积/转移石墨烯(DG)/SiC结构的形貌图和局域I-V曲线;(B)剥离石墨烯(EG)/SiC结构的形貌图和局域I-V曲线;(C,D)A图和B图样品对应的直方图和能带图;

15

图15 CVD石墨烯/SiC节的不均匀性表征:(A)SiC上的石墨烯STM成像,插图是虚线的剖面高度图;(B)石墨烯褶皱的STM成像,插图是对应的dI/dV曲线;(C)褶皱的STM成像;(D)C图标记点的dI/dV曲线,插图是狄拉克能量的标准概率分布。

16

图16 石墨烯/(A)n-Si,(B)n-GaAs,(C)n-4H-SiC,和(D)n-GaN界面的J-V表征。

17

图17 石墨烯/Si二极管的肖特基节性质:(A)I-V特征和经典热电子发射理论的拟合曲线;(B)SBH随反向偏压的变化曲线;(C)I-V特征和朗道尔输运模型的拟合曲线。

18

图18 石墨烯/3D半导体肖特基节太阳能电池的效率,红色点代表石墨烯/Si器件,绿色方块代表石墨烯/Zn3P4器件,蓝色三角形代表石墨烯/CH3NH3I粘性钙钛矿器件,方括号里面的数字代表参考文献序号。

Part 4 2D半导体和传统半导体的接触

2D半导体在3D半导体衬底上的集成为整流,光探测和能量捕获等应用带来了器件设计的希望。层状半导体在层间没有悬挂键,例如TMDs, 消除了异质节界面的晶格不匹配和压力/拉力相关问题。

19

图19 p-MoS2/n-SiC节的性质:(A)不同温度下的I-V特征,插图是器件结构;(B)C-V特征,插图是1/C2随内建电场电压的变化曲线;(C)能带图。

20

图20(A)MoS2/Si光电二极管的示意图和照片;(B)不同厚度MoS2的A图器件光电流密度和反向偏压的变化曲线;(C)Si/MoS2 MSM光探测器件的示意图;(D)MoS2/Si光探测器件的示意图,MoS2层是垂直的。

展望

在过去的十年间,2D电子学已经发展成为了一个非常活跃的领域,给可预见的未来现实生活带来了众多期望,特别是柔性电子学的应用。因此,这个部分,文章主要总结了2D材料和3D材料的接触应用的展望,并提出了未来的研究方向和研究的必要性。

备注

该研究成果近期发表在ACS nano(IF:12.881) 上,文献链接:Contacts between Two- and ThreeDimensional Materials: Ohmic, Schottky, and p-n Heterojunctions。(非原网页读者请到欧洲足球赛事 下载)

本文由材料人科普团队学术组灵寸供稿,欧洲足球赛事 编辑整理。

欢迎加入材料人科普团队,一起进行材料顶刊学术动态的跟踪和报道以及SCI相关知识科普等。加入方式:(1)加入材料人文献检索群(410109144),私信管理员“成都-小小(QQ:763044722)”报名;(2)点此处报名

分享到