WS2納米管的電學(xué)和光電特性及其納米器件研究

陳清

納米器件物理與化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院電子學(xué)系

　　與石墨烯類似，硫化鉬和硫化鎢等無(wú)機(jī)材料也具有層狀結(jié)構(gòu)，層間以范德瓦爾斯力相連，片層表面沒(méi)有懸掛鍵，特別是它們本身具有半導(dǎo)體特性，還能吸收可見(jiàn)光。上述優(yōu)異特性使它們成為研究熱點(diǎn)^[1,2] 。塊體硫化鎢具有與太陽(yáng)光能量相當(dāng)?shù)膸�隙和很高的光吸收系�?shù)，在太陽(yáng)能電池領(lǐng)域有很重要的應(yīng)用。1992 年R. Tenne 教授首次發(fā)現(xiàn)硫化鎢納米管^[3] ，之后該納米管的機(jī)械、潤(rùn)滑性和光電特性都得到了深入的研究^[4] 。但到目前，對(duì)硫化鎢納米管電學(xué)的研究還很有限[5]。我們首次系統(tǒng)研究了單根硫化鎢納米管的電學(xué)特性和光電特性^[6,7] 。主要結(jié)果如下。

　　我們首次系統(tǒng)研究了單根硫化鎢納米管的電學(xué)特性。單根硫化鎢納米管器件的I-V 曲線表現(xiàn)為非對(duì)稱和非線性，表明接觸處存在勢(shì)壘。利用金屬-半導(dǎo)體-金屬(MSM)模型[8]對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行擬合，得到了載流子濃度、遷移率、電導(dǎo)率和源漏接觸的勢(shì)壘高度等重要電學(xué)參數(shù)。發(fā)現(xiàn)單根硫化鎢納米管的遷移率與塊體中的相當(dāng)，而比之前報(bào)道的納米管的結(jié)果高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

　　我們進(jìn)一步研究了水汽和氧氣吸附對(duì)電學(xué)特性的影響。發(fā)現(xiàn)在空氣中硫化鎢納米管的電導(dǎo)率和遷移率比在真空中小。分別在水汽、干燥的氧氣和干燥的氮?dú)猸h(huán)境中測(cè)量單根硫化鎢納米管的電學(xué)特性。發(fā)現(xiàn)水汽的吸附會(huì)降低納米管的載流子遷移率和電導(dǎo)率。原因可能是水分子的吸附會(huì)形成載流子束縛中心或庫(kù)侖散射中心。氧氣也有類似的作用，但是對(duì)納米管的影響比水汽小。氮?dú)獠挥绊懠{米管的電學(xué)特性。對(duì)樣品進(jìn)行抽真空或在110 度烘烤的干燥處理，可以有效地使吸附在納米管表面的水汽脫附，恢復(fù)單根硫化鎢納米管的電學(xué)特性。

　　還研究了硫化鎢納米管的光電特性。該納米管制成的光電探測(cè)器對(duì)633 納米和785 納米的光有快的響應(yīng)(響應(yīng)時(shí)間至少在200 微米以內(nèi))，大的開(kāi)關(guān)比和很高的外量子效率。

參考文獻(xiàn):

　　(1) Z. Y. Yin, H. Li, L. Jiang, et al., ACS Nano, 6 (2012): 74-80.

　　(2) L. T. Liu, S. B. Kumar, Y. Ouyang, et al., IEEE Trans. Elect. Devices, 58 (2011):3042-3047.

　　(3) R. Tenne et al., Nature, 360 (1992): 3.

　　(4) R. Tenne and M. Redlich, Chem. Soc. Rev., 39 (2010): 1423–1434.

　　(5) H. E. Unalan, R. Tenne et al., IEEE Transactions on Electron Devices, 55 (2008):2988-3000.

　　(6) C. Y. Zhang, S. Wang, L. J. Yang, et al., Appl. Phys. Lett., 100 (2012): 243101.

　　(7) C. Y. Zhang, Z. Y. Ning, Y. Liu, et al., Appl. Phys. Lett., 2012, in press.

　　(8) Z. Y. Zhang, K. Yao, Y. Liu, et al., Adv. Funct. Mater., 17 (2007): 2478–2489.