大面積/少層PtS2材料制備與物理特性研究
從1947年第一只晶體管的誕生，到1958年第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)如今給人類社會(huì)發(fā)展帶來了極大方便。作為信息產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)的半導(dǎo)體材料是微電子、光電子及太陽能等工業(yè)的基石，對(duì)我國的工業(yè)、科技以及國防事業(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)類石墨烯材料應(yīng)運(yùn)而生，過渡金屬硫族化合物（Transition Metal Dichalcogenides, TMDs）作為類石墨烯材料的典型代表不僅具備類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，萬艷芬團(tuán)隊(duì)通過物理氣相沉積(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)、200K(黑線)、100K(紅線)、12K(綠線)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 (d) FET的Is - Vds輸出曲線
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 (c) PtS2 光電器件在不同光功率下的電流- Vds曲線
圖10 大面積少層PtS2的C-V性能 (a)不同探測頻率下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)基于開爾文探針力顯微鏡（Kelvin probe force microscope, KPFM ）測量PtS2的功函數(shù)圖像 (c)PtS2的功函數(shù)展示 (d)基于開爾文探針力顯微鏡（Kelvin probe force microscope, KPFM ）測量PtS2的表面電勢圖像 (e) PtS2的表面電勢展示
圖12 (a) PtS2表面的靜電勢分布 (b)單層PtS2的靜電勢和功函數(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、溫度依賴極化拉曼光譜及光電器件搭建測試等工作。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, (https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2021.100376) ”發(fā)表在國際著名材料學(xué)術(shù)刊物Materials Today Physics上，文章第一作者為云南大學(xué)材料與能源學(xué)院研究生陸江偉，通訊作者為楊鵬、萬艷芬、王梟，該研究得到了國家自然科學(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，歡迎咨詢我司。
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