胡志高&宫勇吉Small：基于大面积原子层SnS2场效应晶体管电学性能研究

【研究背景】

过渡金属硫族化物（TMDs）是一种最常见的二维半导体材料，其化学式为MX₂，其中由过渡金属（M=Mo、W、Re、Sn等）组成的原子平面夹在两个硫族原子平面（X=S、Se、Te）之间。二维TMDs具有独特的电子、光学、化学和热学性质，由于其在电子学、光学和催化等领域的潜在应用而引起了人们的极大关注。作为一种环保且丰富的半导体材料，二维SnS₂在可持续清洁能源电催化、电子和光电等诸多领域有较丰富的应用。因此，高质量、大面积原子层SnS₂的可控合成是实现其在催化和电子领域工业应用的第一步。而目前二维SnS₂的制备主要是机械剥离（ME）和化学气相沉积法（CVD）。机械剥离制备TMDs缺乏对尺寸，均匀性和厚度的可控性，生产效率低，无法大规模合成，限制了其在电学和催化方面的工业化应用。由于其在材料形貌，缺陷和结构方面的精确控制，化学气相沉积方法是目前制备大尺寸和高质量TMDs最成功的方法。因此，为实现产业化，使用CVD方法制备可控层数的大面积和高质量SnS₂仍然需要进一步研究。

【成果简介】

近日，华东师范大学胡志高教授、北京航天航空大学宫勇吉教授（共同通讯作者）等人报道了一种简易的熔融盐辅助CVD法，成功地合成了大尺寸和高质量原子层的SnS₂。SnS₂的横向尺寸可以长达410 µm，并且展现出良好的均匀性。通过原子分辨率扫描透射电子显微镜（STEM）观察到SnS₂在不同层间具有高质量2H堆积晶格。此外，基于超薄SnS₂纳米片的场效应晶体管（FET）展现出高开/关比（~10⁸）和高载流子迁移率（2.58 cm²V^-1s^-1），表明SnS₂在低功耗FET中的潜在适用性。此外，二维SnS₂的这种良好性能及其可控方法将使我们能够在储能应用中释放其电催化能力，例如析氢反应（HER）、析氧反应（OER）和氧还原反应（ORR）。该成果近日以题为“Large-Scale Growth and Field-Effect Transistors Electrical Engineering of Atomic-Layer SnS₂”发表在知名期刊Small上。

【图文导读】

图一：超薄SnS₂纳米片的制备及表征

（a）通过CVD合成SnS₂的过程示意图。

（b）低放大倍率的光学图像，显示出高收率的SnS₂原子层。

（c-d）SnS₂单晶的典型光学显微镜图像。

（e-f）生长的SnS₂的SEM图像。

（g）所得双层SnS₂的 AFM图像，插图是沿（g）中白色虚线的高度轮廓。

图二：生长SnS₂纳米片的组成和化学状态

（a）XPS光谱，显示了S 2p和Sn 3d的结合状态。

（b-c）三角形SnS₂单晶的光学图像，以及A_1g模式的相应拉曼mapping图像。

（d）具有不同层的超薄SnS₂的光学显微镜图像，并标出了层号。

（e）SnS₂层从双层到少层的拉曼光谱，激光波长为532 nm。

（f）SnS₂的A_1g拉曼模式的频率（左垂直轴）和峰强度（右垂直轴）与层厚度的关系。

（g）在不同温度下双层和少层SnS₂的拉曼光谱。

（h）不同层SnS₂下A_1g模式的拉曼光谱峰位置随温度的变化。

（i）对于不同的层状SnS₂，A_1g模式的FWHM与温度的关系。

图三：确认KI辅助生长的SnS₂的原子结构和质量

（a）样品的常规TEM图像。

（b）SnS₂的ADF-STEM图像插图显示了相应的FFT模式，显示出晶体具有六方结构和高晶体质量。

（c）SnS₂的ADF‐STEM图像显示出其完美的六边形结构，插图显示放大的TEM图像。

（d-f）分别对SnS₂，Sn和S进行相应的EDS mapping图像。

（g）SnS₂的六边形结构的侧视图和俯视图的示意图。

图四：基于生长的SnS₂的背栅FET

（a）基于SnS₂的FET的示意图。

（b-c）SnS₂器件的输出和转移特性曲线。

（e-f）SnS₂器件不同温度下的输出和转移特性曲线。

（g）对于不同的V_GS值，使用热激活传输模型绘制I_DS的温度依赖关系。

（h）激活能E_a与V_GS的关系。

（i）场效应晶体管迁移率随温度的变化曲线。

图五：基于SnS₂的FET的光电探测器

（a）在激发波长为407 nm激光器的不同照明功率下，V_GS = 0 V时SnS₂光电晶体管的源漏电流（I_DS）。

（b）SnS₂光电晶体管在V_GS = 3 V时光电流的功率依赖性。

（c-d）与最近报道的FET相比，基于SnS₂的FET的迁移率和开/关比，以及d）横向尺寸和厚度。

【小结】

综上所述，作者通过KI辅助CVD方法合成了横向尺寸最大为410 µm的大尺寸高质量超薄SnS₂。使用盐可以降低反应物的熔点并促进中间产物的形成，这可能有助于为大尺寸纳米片的生长形成稳定的条件，为二维TMDs在电子和光电领域的应用铺平道路。在当前条件下，已生长的SnS₂纳米片可以减薄至1.5 nm（双层）。特别地，该超薄SnS₂纳米片基FETs表现出出色的性能，包括高迁移率（2.58 cm²V^-1s^-1）和高开/关比（~10⁸），优于其他已报道的基于SnS₂的FETs。此外，作者还系统地研究了温度对电性能的影响。温度低于275 K时，迁移率受到带电杂质的散射的限制。电子-声子散射是高温下的主要机理。宽带隙的二维SnS₂如此出色的性能及其可控合成可能为新兴二维材料在电催化、电子和光电子学的未来应用中打开机遇。

文献链接：Large‐Scale Growth and Field‐Effect Transistors Electrical Engineering of Atomic‐Layer SnS₂ (Small, 2019, 1904116)

课题组简介：

胡志高教授课题组依托上海市极化材料多功能磁光光谱公共技术服务平台，以研究光电功能材料及微纳器件、新型二维半导体及电子器件以及研发极端条件下光电特性测试系统为主要目标，为新功能、新概念的光电功能器件和自旋电子学器件提供理论基础和技术支撑。近年来课题组在Small、PRApp、PRB及APL等国际应用物理与材料顶级学术期刊上发表SCI收录论文100多篇，他引1000多次，相关成果获得2015年度上海市自然科学二等奖。胡志高教授主持并完成科技部国家重大科学研究计划、国家自然科学基金项目以及上海市科委/教委重点项目等十多项科研课题。胡志高教授于2008年入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”，2010年入选上海市“曙光学者计划”，2010年获聘上海高校特聘教授(东方学者)，2014年入选上海市“优秀学术带头人计划”以及2014年获聘上海高校特聘教授(东方学者)跟踪计划等各类人才称号。

课题组主页链接：http://spec-lab.ecnu.edu.cn/

宫勇吉教授课题组主要研究方向为基于二维材料的量子信息及新能源方向的应用，具体包括二维材料的合成及其异质结构的构筑、二维半导体器件、二维量子器件及锂硫电池、电催化等领域。课题组在材料学相关领域发表顶级期刊80余篇，包括Nature Materials, Nature Nanotechnology, Nature Communications, Advanced Materials，Advanced Energy Materials，Nano Letters等。

课题组主页链接：http://www.buaamsegong.net/ 

本文由大兵哥供稿。

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