ACS Nano: 环境气体实现单层MoS2的宽范围功函数调制

vesta_lws 9年前 (2016-06-20) 9119浏览

原子级厚度的层状材料有一个，即共同的有趣特征，即每个原子都与周围环境接触，其对吸附物特别敏感，因此，层状材料的固有物理和化学特性会随着环境而发生改变。其中，功函数就是一个经典的例子。功函数的定义是这样的：把一个电子从固体内部刚刚移到此物体表面所需的最少的能量。功函数对于电子和光电器件的设计是非常重要的指数之一。比如，石墨烯表面吸附不同的气体分子，其功函数有不同的变化。层状材料对环境的超敏感性对制备稳定和量产的器件是一个很大的阻碍。但是，如果从相反的角度思考，层状材料的这个特性在一些应用方面有可能成为它的优势。

近日，韩国成均馆大学Young Hee Lee团队实现了环境气体对单层MoS2的大范围功函数调制。研究者利用原位开尔文探针技术测量功函数，通过紫外线光电子能谱和密度泛函理论计算验证实验结果。单层MoS2在真空中测量的功函数为4.04eV，而在氧气环境中转变为4.47eV，该变化范围和栅压调控的石墨烯功函数变化相比拟。通过部分钝化晶体管的同质结二极管揭露了一个具有理想因子和完美电子可逆性的理想结。从光电流映射估计耗尽层厚度约为200nm，比块状半导体的耗尽层窄得多。进一步的研究表明部分钝化的MoS2晶体管的类二极管整流行为对于气体传感器和光电器件是必不可少的。

图1 （a）开尔文探针系统示意图；（b）用开尔文探针系统在室温空气，特高压（~e-9Torr）和氧气环境下测得时间分辨功函数变化；（c）利用化学气相沉积法制备的单层MoS2在室温空气，特高压（~e-9Torr）和氧气环境的能带图。

图2 （a）块状和CVD生长的单层MoS2在特高压（~e-9Torr）环境的二级边缘能谱；（b）CVD生长的单层MoS2在特高压和氧气环境下的二级边缘能谱；（c）通过普适梯度近似（GGA）和局域密度近似（LDA）方法单层MoS2的功函数随O2/H2O吸附率的理论变化曲线。

图3 在高压腔中，栅源电压VGS在+40V至-40V范围内的转移特征曲线，插图为：在300nmSiO2/Si衬底上，Cr/Au做电极的单层MoS2晶体管的光学成像；（b）在室温空气、低压（~e-3Torr）和高压（~e-6Torr，退火后）环境下，源漏电压为VDS=1V，器件的转移特征曲线，插图为最大的跨导变化；（c）在高压环境和在暴露氧气后至真空腔环境中，源漏电压VDS=1V时，测量器件的转移特征曲线；（d）在室温空气（黑色）、低压（绿色）和高压（蓝色）环境下，MoS2-金属结的能带图。