河南师范大学安义鹏课题组Adv. Funct. Mater.: 后摩尔时代，探寻新型多功能纳米器件

First published: 18 June 2020

作者：安义鹏*，侯玉升，王坤，龚士静，马春兰，赵传熙，王天兴，焦照勇，武汝前*

单位：河南师范大学

【研究背景】

自从石墨烯被成功制备后，人们预测并成功制备大量的二维材料单层材料，包括硅烯、氮化硼、过渡金属硫族化物(TMD)、磷烯、MX烯、硼烯、锡烯、锑烯、g-C₃N₄、CrX3结构等。这些二维单层材料可以表现出新奇的力、热、光、电、磁学特性。尤其是，当不同的二维材料形成垂直分布的范德瓦斯异质结或侧面拼接的共面异质结时，也常表现出一些新颖的特性。

过渡金属二硫化物是研究较多的二维材料之一。几何结构上通常存在1T (D_3D), 2H (D_3h) 和3R (D_3v)相结构；电子结构上可能为半导体，绝缘体和金属。近年来，一些基于TMD的由相同或不同相结构构成的侧面或垂直异质结引起极大研究兴趣，包括MoS₂|WSe₂, MoSe₂|WSe₂, NbS₂|WS₂, VSe₂|MX₂等。这些异质结在晶体管和光电器件等方面具有重要潜在应用。

最近，研究人员通过两步化学气相沉积法成功制备了高质量的VS₂|MoS₂金属-半导体侧面异质结，与传统的上部Ni接触结构相比，该异质结具有更好的场效应迁移率。

【文章简介】

近日，河南师范大学安义鹏副教授课题组与美国加州大学Irvine分校Ruqian Wu教授等课题组合作，在国际顶尖期刊《Advanced Functional Materials》(IF=15.621)上发表了题为“Multifunctional Lateral Transition-Metal Disulfides Heterojunctions”的研究论文 (Full paper)。

该论文对过渡金属硫化物1T-VS₂|1H-MoS₂侧面异质结的本征自旋输运性质和机理进行了系统研究，分别设计了其二极管、场效应晶体管、光电晶体管和热电器件模型，探究了通过门电极调控、光照、改变电极温差等多种方法来调控其自旋电子输运行为，进而实现整流、场效应、光电探测、温差生电等多种功能特性。此项研究成果揭示了1T-VS₂|1H-MoS₂侧面异质结在纳米级自旋电子器件、光电器件和热电器件领域的重要潜在应用价值。

安义鹏副教授为该论文第一作者和通讯作者，美国加州大学Irvine分校Ruqian Wu教授为共同通讯作者。此项研究得到了国家自然科学基金、河南省高校科技创新人才基金、河南省高校青年骨干教师基金、河南师范大学优秀青年基金、河南省“高等学校学科创新引智基地”等项目支持。

【课题组相关工作介绍】

【要点解析】

要点一：

图1. a) Z-type和 b) A-type VS₂|MoS₂ 侧面异质结二极管俯视和侧视图示意图。

图1显示了Z-type和 A-type VS₂|MoS₂ 侧面异质结二极管的俯视和侧视图示意图。作者首先构造了Z-type和 A-type VS₂|MoS₂ 侧面异质结的肖特基二极管结构，并研究了它们的整流作用。

图2. Z-type VS₂|MoS₂ 侧面异质结二极管的a)自旋向上和b)自旋向下电子传输谱，和 A-type VS₂|MoS₂ 侧面异质结二极管的c)自旋向上和d)自旋向下电子传输谱。自旋相关I-V曲线，整流比率，dI/dV曲线。i) I/(1 − e^−qVb/kBT)-V_b曲线，j)温度相关的理想因子|n|曲线。

图2分别给出了Z-type 和A-type VS₂|MoS₂ 侧面异质结二极管的自旋相关电子透射谱、I-V、dI/dV、I/(1 − e^−qVb/kBT)-V_b和温度相关的理想因子|n|曲线。

图3. 偏压相关的Z-type VS₂|MoS₂ 侧面异质结二极管电子透射谱和局域器件态密度曲线a) 0伏，b)0.8 伏，c)-0.8伏。d)自旋向上的表面能带和T(E,K), e)自旋向下的表面能带和T(E,K)。

图3分别给出了不同偏压下Z-type VS₂|MoS₂ 侧面异质结二极管的电子透射谱和局域器件态密度曲线，以及自旋相关的表面能带和T(E,K)来理解VS₂|MoS₂ 侧面异质结二极管的整流功能。

要点二：

图4. VS₂|MoS₂ 侧面异质结场效应性质。a) Z-type和 b) A-type VS₂|MoS₂ 侧面异质结场效应晶体管示意图。Z-type在栅极电压分别为c) 10V 和 d) -10V 时的I-V曲线。A-type在栅极电压分别为e) 10V 和 f) -10V 时的I-V曲线。

图4 给出了Z-type和A-type VS₂|MoS₂ 侧面异质结场效应晶体管的场效应性质。栅极可以明显调控VS₂|MoS₂ 侧面异质结的电子输运和整流比率。

要点三：

图5. VS₂|MoS₂ 侧面异质光电晶体管。a) Z-type和 b) A-type VS₂|MoS₂ 侧面异质结光电晶体管示意图。c) Z-type自旋相关光电流曲线，d) A-type自旋相关光电流曲线。栅极调控的e) Z-type和d) A-type光电流谱图。

图5给出了VS₂|MoS₂ 侧面异质光电晶体管在线性偏振光0到5eV是的光电性质，以及栅极调控的光电能谱图。

要点四：

图6. Z-type VS₂|MoS₂ 侧面异质结热电性质。Z-type VS₂|MoS₂ 侧面异质结热电器件示意图a)和温度相关的热驱动电流曲线b)。

图6给出了Z-type VS₂|MoS₂ 侧面异质结的热电器件示意图和温度相关的热驱动电流曲线。

【结论】

综上所述，作者对过渡金属硫化物1T-VS₂|1H-MoS₂侧面异质结的本征自旋输运性质和机理进行了系统研究，分别设计了其二极管、场效应晶体管、光电晶体管和热电器件模型，探究了通过门电极调控、光照、改变电极温差等多种方法来调控其自旋电子输运行为，进而实现整流、场效应、光电探测、温差生电等多种功能特性。此项研究成果揭示了1T-VS₂|1H-MoS₂侧面异质结在纳米级自旋电子器件、光电器件和热电器件领域的重要潜在应用价值。

【文章链接】

https://doi.org/10.1002/adfm.202002939

【第一作者及导师介绍、照片】

安义鹏，2012年复旦大学博士毕业，现为河南师范大学副教授，博士生导师，河南省教育厅学术技术带头人，河南省高校科技创新人才，河南省高校青年骨干教师。长期从事凝聚态物理学与材料研究的前沿课题, 先后主持国家自然科学基金3项，省自然科学基金面上项目1项，省高校科技创新人才项目1项，主持授权国家发明专利2项，迄今已在Adv. Funct. Mater.、Phys. Rev. 系列等高水平期刊上发表被SCI收录论文60余篇，曾在美国加州大学Irvine分校从事科研交流工作一年。

【课题组链接】

课题组网站

https://www.htu.edu.cn/physics/2016/1021/c12869a85448/page.htm

 本文由河南师范大学安义鹏课题组投稿。