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從1947年*一只晶體管的誕生，到1958年*一塊集成電路的出現(xiàn)，微電子技術(shù)歷經(jīng)了半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，現(xiàn)如今給人類(lèi)社會(huì)發(fā)展帶來(lái)了方便。作為信息產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)的半導(dǎo)體材料是微電子、光電子及太陽(yáng)能等工業(yè)的基石，對(duì)我國(guó)的工業(yè)、科技以及國(guó)防事業(yè)發(fā)展都有至關(guān)重要的意義。石墨烯作為典型的二維納米材料材料，具備化學(xué)、光、電、機(jī)械等一系列優(yōu)良的特性而得到廣泛應(yīng)用，但石墨烯存在零帶隙、光吸收率低等缺點(diǎn)限制了其更廣泛的應(yīng)用，與此同時(shí)類(lèi)石墨烯材料應(yīng)運(yùn)而生，過(guò)渡金屬硫族化合物（Transition Metal Dichalcogenides, TMDs）作為類(lèi)石墨烯材料的典型代表不僅具備類(lèi)似石墨烯的范德華力結(jié)合的層狀結(jié)構(gòu)，還擁有優(yōu)異的光、電、磁等性能，更好地彌補(bǔ)了石墨烯的缺點(diǎn)，大大拓寬了半導(dǎo)體材料的實(shí)際應(yīng)用范圍。
硫化鉑(Platinum sulfide, PtS2)作為TMDs家族的重要成員，具有較寬且可調(diào)帶隙、光-物質(zhì)相互作用強(qiáng)和穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，是半導(dǎo)體器件的潛在候選者。特別是近年來(lái)伴隨著電子元器件尺寸的進(jìn)一步縮小和集成程度提高，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的瓶頸愈加凸顯，TMDs的出現(xiàn)給現(xiàn)代電子技術(shù)領(lǐng)域帶來(lái)了新的發(fā)展機(jī)遇。然而當(dāng)今二維材料共同面對(duì)的比如材料面積不大、不易轉(zhuǎn)移等問(wèn)題對(duì)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展形成了一定的影響。
針對(duì)上述問(wèn)題，2021年初，云南大學(xué)材料與能源學(xué)院、云南省微納材料與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室楊鵬，萬(wàn)艷芬團(tuán)隊(duì)通過(guò)物理氣相沉積(Physical vapor deposition, PVD)和化學(xué)氣相沉積(Chemical vapor deposition, CVD)相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)制備大面積(cm2)少層、均勻的PtS2材料并表征了相關(guān)物理特性，昆明理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院王梟團(tuán)隊(duì)提供理論計(jì)算支持。
圖1 (a)PtS2的原子構(gòu)型 (b)大面積少層PtS2光學(xué)圖像 (c)少層PtS2光學(xué)顯微鏡圖 (d)少層PtS2上不同位置的AFM高度分布。
圖2 (a)剝離的的PtS2高分辨透射電子顯微鏡圖像 (b)晶格條紋圖 (c)對(duì)應(yīng)紅色方框的快速傅里葉變換衍射圖。
圖3 (a)單層PtS2的能帶和態(tài)密度 (b)雙層PtS2的能帶結(jié)構(gòu) (c)PtS2塊體材料的能帶結(jié)構(gòu) (d) 不同層數(shù)的PtS2的帶隙值變化圖 (e)不同層數(shù)PtS2的導(dǎo)帶和價(jià)帶變化
圖4 (a)大面積少層PtS2的制備示意圖 (b)樣品三個(gè)不同位置獲得的拉曼光譜 (c) PtS2的光致發(fā)光光譜
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圖5 (a)少層PtS2的X-射線(xiàn)光電子能譜(XPS) (b) Pt的XPS能譜 (c) S的XPS能譜
圖6 (a)少層PtS2掃描電鏡圖像 (b)少層PtS2元素含量 (c) Pt元素mapping圖 (d) S元素mapping圖
圖7 少層PtS2的偏振拉曼測(cè)量 (a)角度分辨偏振拉曼光譜原理圖 (b)分別在溫度300K(藍(lán)線(xiàn))、200K(黑線(xiàn))、100K(紅線(xiàn))、12K(綠線(xiàn))不同偏振角度下拉曼振動(dòng)模式的強(qiáng)度變化（點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)線(xiàn)是對(duì)數(shù)據(jù)的擬合）(c - f)溫度為300 K (c)、200 K (d)、100 K (e)和12K (f)偏振拉曼振動(dòng)模式強(qiáng)度極性圖
圖8 大面積少層PtS2的場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Field effect transistor, FET)特性 (a) FET示意圖 (b) FET的Is - Vds特性 (c)不同漏源極電壓FET器件Id-Vbg轉(zhuǎn)移曲線(xiàn) (d) FET的Is - Vds輸出曲線(xiàn)
圖9 大面積少層PtS2的光電流特性 (a)光電器件橫截面圖 (b) PtS2光電器件在不同光功率下的電流- Vg曲線(xiàn) (c) PtS2 光電器件在不同光功率下的電流- Vds曲線(xiàn)
圖10 大面積少層PtS2的C-V性能 (a)不同探測(cè)頻率下PtS2的C-V特性 (b)在-1V、0V、1V不同偏壓下，電容隨頻率的變化圖
圖11 PtS2在SiO2/Si襯底上的KPFM圖像 (a) PtS2樣品的AFM高度圖 (b)基于開(kāi)爾文探針力顯微鏡（Kelvin probe force microscope, KPFM ）測(cè)量PtS2的功函數(shù)圖像 (c)PtS2的功函數(shù)展示 (d)基于開(kāi)爾文探針力顯微鏡（Kelvin probe for
ce microscope, KPFM ）測(cè)量PtS2的表面電勢(shì)圖像 (e) PtS2的表面電勢(shì)展示
圖12 (a) PtS2表面的靜電勢(shì)分布 (b)單層PtS2的靜電勢(shì)和功函數(shù) (c)不同層間PtS2的功函數(shù)變化
圖13 PtS2的拉曼光譜強(qiáng)度在氧等離子體處理前后的變化 (a) O2等離子體處理PtS2的示意圖(b)O2等離子體處理不同時(shí)間的拉曼光譜變化 (c)O2等離子體處理時(shí)間為分鐘數(shù)量級(jí)的拉曼光譜變化
總結(jié)
綜上所述，作者通過(guò)物理氣相沉積與化學(xué)氣相沉積相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)了大面積、均勻性的PtS2材料制備，同樣地，將實(shí)驗(yàn)與計(jì)算模擬相結(jié)合的方式對(duì)PtS2的合成、結(jié)構(gòu)以及物理特性進(jìn)行了探究，展示了PtS2的原子結(jié)構(gòu)示意圖、溫度依賴(lài)極化拉曼光譜及光電器件搭建測(cè)試等工作。大面積的少層材料制備可降低光電器件的搭建難度以及提高材料轉(zhuǎn)移的成功率。該項(xiàng)制備策略提供了作為合成部分其他TMDs材料的通用方法。
相關(guān)研究成果以“Large-area uniform few-layer PtS2: Synthesis, Structure and Physical Properties, ”發(fā)表在國(guó)際著名材料學(xué)術(shù)刊物Materials Today Physics上，文章*一作者為云南大學(xué)材料與能源學(xué)院研究生陸江偉，通訊作者為楊鵬、萬(wàn)艷芬、王梟，該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目、云南大學(xué)高層次引進(jìn)人才經(jīng)費(fèi)的支持。
本研究采用北京卓立漢光儀器有限公司一系列光學(xué)產(chǎn)品，如光學(xué)平臺(tái)、偏振濾光片等，如需了解該產(chǎn)品，歡迎咨詢(xún)我司。
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