Adv. Funct. Mater.：MoS2纳米带的大规模制造及其光诱导电子以及热传导特性——结构和缺陷中的二分法

【引言】

近年来，二维半导体过渡金属二硫族化合物被认为是新一代能量转换的电子器件中最有前景的构件，对其晶体结构和形状的研究有助于电子，光学和热学性质的开发，一些学者研究了MoS₂纳米带的各向异性或方向依赖性，然而，这些研究大多基于仿真和建模的方法，由于缺乏先进的纳米带制造或传输方法以及有效的纳米尺度热测量系统，MoS₂带的实验尚未得到充分的探索。

【成果简介】

近日，来自美国西北大学的陈新奇（通讯作者），Vinayak P. Dravid（通讯作者）（任美国西北大学原子及纳米尺度结构分析中心主任）等人研究发现，使用简便的光刻技术来完成MoS₂几何结构的演变，制造了宽度从微米级到纳米级的MoS₂带状物。同时进行了离散偶极近似（DDA）模拟和偏振拉曼研究，以了解MoS₂带相关的各向异性光物质的相互作用。在宽度等于入射波长的MoS₂带上观察到强的吸收和散射效率，他们进一步研究了MoS₂带的光致热输运性质，通过使用与密度泛函理论（DFT）相关的计算与拉曼光谱系统完成的，同时还发现带边声子散射对热导率的影响不明显，在这种宽度尺度下热传导对带方向没有明显的依赖性。这项研究展望了设计和制造具有特定几何形状的TMD半导体的未来光电子器件的应用前景。

【图文导读】

图1MoS₂的制备过程及其显微结构

a):光刻工艺以及MoS₂带材制备的RIE技术；

b):MoS₂带的原子结构；

c):显微结构图；

d):宽度等于1μm的MoS₂带的SEM图；

e,f):丝带中的Mo和S的SIMS图；

g):1μm的MoS₂色带的AFM图；

h):对应于（g）中的虚线的高度变化。

图2： MoS2吸收与散射效率图以及光感应电场分布图

a,b):具有不同宽度的MoS₂带的吸收效率和散射效率作为波长的函数；

d-f): MoS₂带上的光感应电场分布图。

图3 ：MoS2带上的各向异性拉曼散射

a-e): MoS₂带的光学显微镜图；

f):1μm宽的MoS₂带的拉曼光谱作为偏振角的函数；

g):MoS₂片和各种MoS₂带的拉曼光谱；

h): MoS₂片和MoS₂带的偏振角。

图4：MoS₂色带的光电特性

a,b): MoS₂带制成的场效应晶体管的光学显微镜图；

c):在黑暗状态下，在不同栅极电压（VG）下，1μm带状器件的输运曲线；

d):黑暗/照明下的MoS₂带状器件的传输曲线；

e):光响应对照明功率的依赖性图；

f):照明下的代表性I-t曲线图；

g-i):不同门极状态下光电流产生的能带图。

图5：热传导行为性能图

 a):MoS₂带的实验装置,插图是相应的SEM图；

 b,c):在不同的入射光功率和温度下，1μm宽的MoS₂带的拉曼光谱；

d,e):E2g模式的光频对从b)和c)提取的激光功率和温度的线性依赖性；

f): MoS₂样品的热导率总结；

g,h):声子色散和基于DFT计算的多层MoS₂薄片的参数；

i):MoS2带的理论计算热导率显示带宽度和缺陷浓度的影响。

【小结】

该团队对MoS₂光带的结构变化和缺陷形成对光电和热性能的影响有了全面的了解，由于一维带状结构的形成，他们观察到增加吸收和散射效率随着带宽的减少。这导致MoS₂带制成的光电晶体管产生强的光生载流子产生能力，同时，在制造带状物的过程中产生有缺陷的部位对光生载流子分离具有强烈的影响，导致光电流缓慢衰减，但是可以改善光响应时间。该团队的模拟结果表明，由带状结构的变化导致导热系数的下降甚微，但是由于缺陷的结合导致导热系数显着下降。实验中，观察到热导率随着宽度的减小有相对较大的下降趋势，这与模拟结果是一致的，并且归因于RIE工艺中不可避免的光刻胶残留以及缺陷。该研究为设计和制造未来TMD半导体微纳米电子器件提供了重要参考。

文献链接：Large-Scale Fabrication of MoS₂ Ribbons and Their  Light-Induced Electronic/Thermal Properties: Dichotomies in the Structural and Defect Engineering（Adv. Funct. Mater. 2018, DOI: 10.1002/adfm.201704863）

课题组简介：

该课题组是美国西北大学材料学院Vinayak P. Dravid课题组，主要从事二维材料，原位显微镜技术，纳微米尺度软材料的研究。具体内容可参考网站：http://vpd.ms.northwestern.edu/。另外，该课题组在二维材料领域的主要贡献是对曲面二维材料的提出和开发。他们率先提出了曲面二维材料的概念，实现了其在纳米颗粒表面的无缝生长，并发现这类曲面材料表现出独特的光学和电学性质，已将其成功应用于等离子体增强光电传感器中，先后在Nano Letter和ACS Nano上发表了两篇代表性的文章。原文如下：

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.6b03764

http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsnano.7b05071

本文由材料人电子电工学术组杨超整理编辑。

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