Advanced Materials：新加坡国立大学利用含氟衬底对单层MoS2和WS2进行性能调节

单层Ⅵ族过渡金属二硫属化物（TMDCs）记为MX2,其中M为钼、钨， X为硫、硒，是一类新的2D半导体，由于其足够大的带隙和显著的光学和电子特性,在继石墨烯之后吸引了广泛的研究兴趣。由于单层MX2材料的2D特性，导致其光学和激子性质对衬底和载流子掺杂是高度敏感的。例如，衬底诱导介电屏蔽效应能强烈的重整化粒子带隙（Eg），并通过修改电子-电子和电子-空穴库仑相互作用来减少单层MX2的激子结合能。

新加坡国立大学通过使用含氟CYTOP（透明氟树脂）作为高质量衬底通过背栅场效应晶体管（FET）系统地研究了单层MoS2和WS2的载流子掺杂效应，并且利用差分反射和显微荧光光谱来监测作为载流子掺杂浓度函数的光学带隙演变和激子/三离子动力学。研究结果表明，CYTOP可以作为一个研究TMDCs和其他易受缺陷和环境影响的低维系统所固有的电气和光学特性的理想的平台。此外，CYTOP含氟聚合物可以均匀地涂布在大面积柔性表面，从而提供了在晶圆级规模改变2D材料的光电特性的能力。

图文导读

图一
a）室温下各种衬底上单层二硫化钼的PL谱

b）转移到带有20nm厚CYTOP薄膜的SiO2/ Si衬底上的单层二硫化钼薄片光学图像。比例尺是20m。插图:(b)中选择的区域的AFM图像和沿虚线的高度轮廓线。

图二
a)室温下，在石英衬底上测定的PL谱（青色）和单层的MoS2的差分反射光谱（蓝色）和单层WS2的差分反射光谱（红色）。单层MoS2和WS2的斯托克斯位移分别为25meV和15meV。插图：显示了斯托克斯位移的产生是由于底物诱导非均匀掺杂导致的激子/三离子状态空间波动的示意图。

b)在CYTOP/石英衬底上测定的PL谱（橙色）和单层的MoS2差分反射光谱（蓝色）和单层的WS2差分反射光谱（红色）。对于MoS2和WS2两者而言斯托克斯位移可忽略。

c)在CYTOP/二氧化硅/硅衬底上的典型MoS2 FET器件的转移曲线（橙色）和SiO2/ Si衬底上典型MoS2 FET器件的转移曲线（青色）。两者的阈值电压分别分别为为-7V和-40V。插图：背栅TMDC FET器件示意图。

d)在CYTOP/二氧化硅/硅衬底上的典型MoS2 FET器件的转移曲线（橙色）和SiO2/ Si衬底上典型WS2 FET器件的转移曲线（青色）。电子传输（n型）的阈值电压分别为10和-50V。CYTOP衬底上的空穴传输（p型）的阈值电压为-40 V。

图三
a)在室温下CYTOP（橙色）和SiO2（青色）衬底上的单层二硫化钼的PL强度随Vg的变化。插图：不同Vg下CYTOP/SiO2/ Si衬底上的单层二硫化钼的选择PL光谱。在Vg为-40V时PL强度大约是Vg为-80V时的200倍。

b)在77K下单层MoS2随Vg变化的差分反射谱的2D图像，显示了中性激子（A）和负三离子（A-）状态的演变。

c)从图(b)提取的激子（橙色圆圈）和三离子（红色圆圈）的峰顶位置。在参考文献44中所计算的（青色三角形），（蓝色星）变化率，和（橄榄色正方形）作为载流子密度的函数，电中性点A激子的峰值位置偏移。这里的电荷中性点估计为-40 V。

d)电子掺杂的准粒子（E_g）和光（E_opt）带隙以及激子结合能演变的示意图。灰色虚线曲线表示单层的MoS2在K/K'点由于自旋轨道耦和导致导带分裂而产生的暗状态。左图：无电子掺杂；右图：在相对低的掺杂浓度。水平虚线用于眼睛进行比对。

图四
a)在77 K下不同背栅电压下，单层WS2在能量范围为1.9–2.1 eV测量的差分反射光谱（红色曲线）与拟合曲线（深灰色、青色、橙色曲线）。此单层WS2样品的电荷中性点估计为-5V。

b)A激子，负三离子（A-）和正三离子（A+）的峰值位置的演变。两个插图描绘了正三离子（左）和负三离子（右）涉及到缺陷态时的示意图。以伴随A激子的灰色短虚线用于眼睛进行比对。

c)电子掺杂的准粒子（E_g）和光（E_opt）带隙以及激子结合能演变的示意图。灰色虚线曲线表示单层WS2在K / K'点由于自旋轨道耦合导致价带分裂而产生的暗状态。左：无电子掺杂；右：在相对低的掺杂浓度。水平虚线用于眼睛进行比对。

文献链接：Engineering Bandgaps of Monolayer MoS2 and WS2 on Fluoropolymer Substrates by Electrostatically Tuned Many-Body Effects （2016，Advanced Materials, DOI: 10.1002/adma.201504876 ）

本文由材料人电子电工材料学习小组天行健供稿，材料牛编辑整理。

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