王根旺 ，侯超劍 ,＊，龍昊天 ，楊立軍 ,＊，王揚 ,＊

1哈爾濱工業(yè)大學，微系統(tǒng)與微結構制造教育部重點實驗室，哈爾濱 150001

2哈爾濱工業(yè)大學機電工程學院，哈爾濱 150001

1 引言

近年來，隨著航空航天、生物醫(yī)學、集成電路以及新能源等領域對功能性器件集成度的要求越來越高，功能性器件的特征尺寸不斷減小。目前美國微軟公司已經成功研發(fā)出了最小特征尺度約為7 nm的測試芯片1。然而半導體產業(yè)協(xié)會發(fā)布的國際半導體技術路線圖表明2：在經歷了50多年器件微型化道路的技術研發(fā)之后，晶體管的尺寸可能將在 5年以后停止縮減。與此同時，由于功能性器件特征尺寸不斷地減小，器件中出現的尺寸效應、量子效應、短溝道效應以及熱效應等會導致器件性能下降甚至失效3,4。因此基于傳統(tǒng)半導體材料的硅基功能性器件已經達到極限5,6，如何研制高集成度、高性能的功能性器件成為了未來發(fā)展的重要方向。

納米材料的出現為突破傳統(tǒng)硅基器件提供了新思路7,8。由于納米材料具有獨特力學、電學及光學性能，因此基于納米材料的功能性納米器件的研制將有利于進一步推動納米材料在集成電路、智能傳感、信息通信、生物醫(yī)療、環(huán)境檢測、能源收集以及國防安全等重大領域的廣泛應用9-11，進而打破當前功能性器件的技術瓶頸。納米材料可分為零維材料(納米顆粒、量子點等)、一維材料(納米線、納米棒等)、二維材料(納米薄膜、超晶格等)。其中零維材料及一維材料由于其可靠制備及特殊性能12,13，可作為器件電極或導線焊接材料14,15、電子傳輸通道材料或溝道材料等16-18。然而二維材料以其優(yōu)異的物理化學性能19，成為了制造下一代新型功能性納米器件重點研究對象。主要原因如下：(1)從二維材料的種類及制備方面，隨著化學氣相沉積技術(Chemical vapor deposition，CVD)等合成技術的不斷成熟20,21，目前已經能夠穩(wěn)定制備不同種類的高質量、大面積二維層狀納米材料。其中包括絕緣體材料、半導體材料、半金屬材料22、以及由二維半導體組合衍生出的范德瓦爾斯異質結(Van der Waals Heterostructures，vdWHs)23和超晶格結構24等，因此二維材料的種類繁多及穩(wěn)定制備技術為納米功能性器件的制造奠定了基礎。(2)從二維材料的電學性能和機械性能方面，由于二維納米材料具有原子級別的厚度、表面缺乏懸掛鍵等特殊性能，因此基于二維材料的納米器件表現出了高電子遷移率、高開關比等優(yōu)異的電學性能，這使得二維材料成為了未來高性能場效應晶體管(Field effect transistor，FET)25、超級電容26、邏輯電路27的首選材料之一，另外二維材料優(yōu)異的機械性能則使其在柔性電子器件28中具有廣泛的應用前景。(3)從二維材料的光電性能方面，由于二維納米材料具有層數決定的連續(xù)可調能帶結構、極強的光與物質相互作用以及較大的表面積等特點，使其成為了功能性納米光電器件29、太陽能電池30，半導體激光器31以及發(fā)光二極管32的優(yōu)選材料。(4)從二維材料其他特殊性能方面，二維納米材料由于其本身量子限域結構的特殊性致使其出現了宏觀三維材料不具備的物理現象，例如超導現象33，壓電特性34，谷自旋效應35，熱電效應36等，為半導體物理、電子器件等領域的發(fā)展提供了新的研究方向及研究思路。

但基于二維材料的功能性器件的性能和應用研究還處于探索階段，在材料及器件性能調控、器件設計和制造、產業(yè)化應用等方面的研究還遠遠不足。因此進一步開展二維材料功能性器件的研究將成為新時代的迫切需求。本綜述主要針對基于二維半導體納米材料的納米電子器件及光電器件的發(fā)展現狀進行總結，首先概述了應用于納米器件的幾種常見二維材料的性能，分析了不同材料在納米器件的應用特點。其次重點對二維半導體納米材料以及由其衍生的范德瓦爾斯異質結的納米電子器件和光電器件的最新研究進展進行討論，最后對二維半導體納米器件當前亟待解決的問題和未來的發(fā)展方向進行分析，從而為后續(xù)發(fā)展高性能功能性納米器件提供支持。

2 納米器件中常見二維材料及其性能

二維材料是一種在厚度方向上僅僅具有單個或者多個原子層，并且依靠層間的范德瓦爾斯力堆積而成的層狀材料。二維材料及其在納米器件應用的快速發(fā)展始于2004年英國曼徹斯特大學Novoselov等19的研究，研究中報道了在空氣環(huán)境下能夠穩(wěn)定存在的厚度僅有幾個原子的單晶石墨薄膜—石墨烯，打破了二維材料由于無法忍受熱漲落而難以穩(wěn)定存在的傳統(tǒng)觀念，實現了二維材料的制造。并通過制造基于石墨烯的晶體管，以及對其電學性能的表征，如圖1a，b所示，開拓了二維材料在納米器件方向的應用。

2.1 石墨烯

圖1 石墨烯及基于石墨烯的場效應晶體管19,22Fig. 1 Graphene and the FET based on it 19,22.

石墨烯是一種由sp2雜化的碳原子組成的六方晶系材料，制備方法包括氣相法、液相法、固相法37。隨著CVD制備技術的不斷成熟，大面積高質量的單層石墨烯材料已經邁入了產業(yè)化的道路。最新的研究表明，運用進化選擇生長的方法可以制備具有腳掌大小的大面積高質量單層石墨烯21。石墨烯優(yōu)異的力學、電學及光學性能使其可以用于制造高性能納米器件，例如：在力學性能方面，石墨烯具有較高的機械強度38，因此可用于實現柔性光電探測器39、柔性場效應晶體管40及柔性電極41；在電學及熱學性能方面，石墨烯在室溫下的遷移率可達15000 cm2·V-1·s-1，并且具有較高的導熱系數5000·W·m-1·K-1，有利于提高納米器件的傳輸性能及散熱能力，因此可作為電極材料、溝道材料等42,43；在光學性能方面，石墨烯最具優(yōu)勢的性能是其對光的響應波長范圍可達0.75-30 μm，因此石墨烯是實現高性能太赫茲光電探測器的重要材料44。然而，利用石墨烯制造功能性納米器件具有兩方面明顯的缺點：首先，如圖1c所示，石墨烯的導帶和價帶關于狄拉克點對稱并且其能帶間隙幾乎為零22,45，這使得基于石墨烯的場效應晶體管很難具有器件的開關狀態(tài)。盡管利用特殊基底46、摻雜47、光刻48等方法使石墨烯獲得了能帶間隙，但其間隙范圍仍然較小(＜ 1.0 eV)，且這些方法會導致石墨烯導電性能等降低，極大地阻礙了其在下一代新型場效應晶體管等電子器件中的應用49。其次，由于石墨烯超高的光學透明度，單層石墨烯對光的吸收僅達2.3%50，并且無間隙的能帶結構導致光生載流子的壽命極短，從而極大地限制了其在新型功能性納米光電器件方面的應用。盡管石墨烯存在上述缺陷，但石墨烯仍可以作為器件的電極材料或封裝材料，同時也可與其他二維材料形成vdWHs作為FET的溝道材料，進而充分發(fā)揮石墨烯的性能優(yōu)勢，提高器件性能。

2.2 二維過渡金屬二硫化物

2010年，二維過渡金屬二硫化物(Transitionmetal dichalcogenide family of materials，TMDs)的出現突破了石墨烯在納米器件中的局限性51。TMDs的分子結構通式為MX2，其中M代表過渡金屬元素，包含第四副族元素(Ti、Zr、Hf等)、第五副族元素(V，Nb，Ta等)和第六副族元素(Mo、W等)，而X通常代表硫族元素(S、Se、Te等)。單層MX2的元素排布類似于三明治結構，由上下兩層硫族元素原子及中間夾層的過渡金屬元素原子組成，如圖2a所示。多層MX2則在層內形成強的離子共價鍵以保證層內穩(wěn)定性，而在層間則通過范德瓦爾斯力相互作用保持材料穩(wěn)定52。TMDs的制備方法包括機械剝離、激光切割、CVD等53。與石墨烯不同的是，二維TMDs既有金屬、半金屬特性的材料(如TiS254、FeS255等)，又有半導體特性的材料(如能帶間隙為1.2-1.9 eV的二硫化鉬、能帶間隙大于2 eV的單層WS2材料56等)。另外，通過改變材料層數、外加偏壓、材料應變57等方式可對TMDs的能帶結構能夠進行可靠調控，進而改變材料的電學及光學性能。這些優(yōu)勢使TMDs被廣泛的應用在高性能納米電子器件和光電器件中。

在TMDs家族中，二維二硫化鉬(Molybdenum disulfide，MoS2)是目前在納米器件領域研究最為廣泛的二維半導體材料。由于層間較弱的范德瓦爾斯力的相互作用，采用機械剝離或者液相剝離的方法可獲得單層MoS2。MoS2的結構主要包含三種類型：2H態(tài)，3R態(tài)和1T態(tài)58，如圖2a所示。其中2H態(tài)為最穩(wěn)定的結構形態(tài)，并呈現出半導體特性，而1T態(tài)則呈現出金屬特性59。單層MoS2的厚度約為6.5 ? (1 ? = 0.1 nm)。從的MoS2的能帶結構可知，塊狀結構的MoS2為間接帶隙，能帶間隙約為1.2 eV，而單層MoS2為直接帶隙，能帶間隙約為1.9 eV22,60，如圖2b所示。因此MoS2可作為制造場效應管的溝道材料。而由塊狀結構到單層結構導致的間接帶隙到直接帶隙的轉變則使MoS2具備了較強的光致發(fā)光特性，例如單層MoS2材料能夠吸收10%的波長為615 nm或者650 nm的入射光61，而對太陽光的吸收達到5%-10%62。另一方面，直接帶隙使材料在與光子相互作用的過程中，并不需要聲子的介入而直接產生電子空穴對，從而使MoS2在快速光響應能力方面具有很大的優(yōu)勢。此外，由于二維MoS2面內較強的離子共價鍵的作用，使得MoS2能夠承受約25%的機械變形63。因此，MoS2可以像紙一樣發(fā)生彎折和折疊，形成褶皺等結構64。并且彎折后的MoS2的費米能級及能帶間隙等性能會發(fā)生變化65，因此可應用于便攜式柔性器件以及基于應變工程實現材料及器件的性能調控。除此之外，MoS2具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性能，其熱穩(wěn)定溫度達1100 °C66，這使得基于二維MoS2的納米器件能夠在相對苛刻的工作環(huán)境中保持穩(wěn)定的性能。

圖2 TMDs原子結構及MoS2能帶結構示意圖22,58Fig. 2 Schematic illustration of TMDs atom structure and the energy band structure of MoS2 22,58.

2.3 二維黑磷

由于大部分半導體性的TMDs材料最小能帶間隙通常大于1 eV，而較大的能帶間隙會限制材料在功能性器件中的應用，例如難以獲得高遷移率、高電流密度的FET以及在近紅外和紅外波段響應的光電器件。因此，尋求具有較窄能帶間隙的二維半導體材料將有利于進一步研發(fā)高性能新型功能性器件。2014年，二維黑磷(Black phosphorus，BP)作為最穩(wěn)定的磷同素異形體，進入了納米材料研究者的視野67。在單層BP材料中，每一個磷原子和相鄰的三個磷原子成共價鍵，并且形成褶皺的蜂窩結構，單層厚度大約為5 ?，如圖3a所示。與MoS2性能相似，BP屬于二維半導體層狀材料。目前通過機械剝離、超聲波液相剝離、等離子體刻蝕等方法可制備BP68。如圖3b所示，從BP能帶結構可知22，其能帶結構屬于直接帶隙，且隨厚度的改變其能帶間隙范圍可達0.3-2 eV69。較大的能帶調控范圍不僅使BP可以作為高性能FET的溝道材料，且使基于BP的光電器件的響應波長范圍涵蓋從紫外光波段到微波波段。相對于TMDs，BP對光的相應波長范圍可達到中紅外波段，并且具有較高的載流子遷移率70，但其基于BP的器件的開關比較低71。BP還表現出了本征雙極性，這是形成pn結以及構建邏輯電路的重要性能72。BP同樣能夠承受較大的彈性變形30%，并且通過對其施加應力，可改變電子及空穴有效質量、遷移率、能帶間隙等電學性能73，以及對光的吸收方向、吸收波長范圍等光學性能74，使其成為了實現基于應變工程的功能性器件的優(yōu)選材料。

與其他二維材料不同，由于BP在扶手椅(ArmChair，AC)方向和鋸齒形方向(ZigZag，ZZ)的晶格結構存在明顯的不對稱性，因此在沿著這兩個方向的物理、化學、力學、電學、光學性能存在一定的差異75-77，圖3c為熱電優(yōu)值ZT的各向異性。例如，在電學性能方面，電子空穴沿兩個方向具有不同的有效質量導致BP表現出不一樣的電導率和遷移率；在光學性能方面，沿著兩個方向的對不同偏振方向的光的吸收程度不同，且對不同波長的光的吸收也不相同，這種性能為構建極化敏感的光電器件(Polarition-sensitive photodetector)提供了可能性；在機械性能方面，BP的各向異性主要體現在沿著不同方向的楊氏模量存在差異。因此BP所具有的獨特性能有利于實現不同應用場合的納米電子器件和納米光電器件。但是BP在空氣環(huán)境中具有較差的穩(wěn)定性78，在空氣環(huán)境中的暴露會使其層數及體積發(fā)生變化，這也是導致無法利用CVD等方法制備大面積BP的原因之一79，并限制了其在納米器件制造中的應用。

2.4 二維氮化硼

圖3 BP的幾何結構、能帶示意圖及各項異性特性22,67,76Fig. 3 Schematic illustration of BP atom structure, band diagram and anisotropic property 22,67,76.

除金屬、半金屬性和半導體型二維材料外，二維絕緣材料同樣可被用于納米功能性器件中。其中最具代表性的材料為氮化硼六方晶系(hexagonal boron nitride，hBN)。hBN與石墨烯的原子結構極其相似。由于其顏色為白色，因此被稱為白石墨80。從單層hBN的能帶結構可知，該材料具有較大的能帶間隙(可達6 eV)，故其電學性能主要體現為絕緣體特性。然而由于hBN的表面平整度極高，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)材料作為石墨烯等材料的基底，有利于減小表面效應的影響、降低電子散射、提高遷移率81。而且hBN的介電性質類似于SiO2，但表面光學聲子模的能量是其兩倍，因此hBN也可作為電子器件中的柵極材料82。另外，hBN也可所為封裝材料以減少溝道材料受環(huán)境的影響，降低表面化學吸附，因此在納米器件中，hBN可與石墨烯、TMDs等形成vdWHs83,84，以改善納米器件的性能。

2.5 范德瓦爾斯異質結

隨著CVD生長技術、機械剝離技術和轉移技術的不斷成熟，出現了由兩種或者兩種以上的二維材料層狀堆疊而形成的vdWHs85。相對于傳統(tǒng)半導體異質結，由于二維材料特殊的晶格結構以及材料表面不存在懸掛鍵等特性，所形成的vdWHs不存在晶格不匹配問題，從而避免了材料界面不匹配對器件性能的影響。目前，利用多種制備方法已經獲得了多種vdWHs，主要包括半金屬/半導體、半金屬/絕緣體、半導體/半導體以及半導體/絕緣體等86。當前制備vdWHs的主要方法有兩種：一種是基于干法轉移和堆疊技術，如圖4a所示87，另一種則是基于兩步化學氣相沉積技術22。特別是CVD技術的成功應用，使得vdWHs界面原子之間能夠穩(wěn)定鍵合。通過對上述幾種二維材料的性能分析及總結可知，二維材料種類繁多且性能各異，每種材料都具有其特殊的優(yōu)異性能，因此通過將不同二維材料進行組合形成vdWHs可以獲得單一材料所難以具有的性能。例如，BP/石墨烯異質結有利于改善單一BP的表面不平整現象，并且在保護氣體環(huán)境下將石墨烯覆蓋至BP表面有利于提高傳輸特性88。利用第一性計算原理的計算表明，MoS2/BP以及WS2/BP異質結具有II類能帶排列，其能帶間隙分別為0.59及0.89 eV，如圖4b所示，并且能帶間隙的大小對外加電場表現出顯著的敏感性89，因此有利于制造在近紅外波段響應的光電器件。MoS2/WS2異質結在光激發(fā)后表現出了50 fs的空穴傳輸速度，且載流子壽命長于相應的單一材料90，可用于快速響應光電器件。另外，應變效應也可以對vdWHs的電學性能進行調控，有利于柔性電子器件及光電器件的設計91,92。因此，vdWHs有利于結合不同二維材料的優(yōu)勢，并且獲得單一材料所不具有的特性，為實現高新能的納米電子器件及光學器件提供了更多的可能性。

迄今為止，二維材料已經形成了比較完善的材料體系。從材料電學性能角度來看，涵蓋了絕緣體材料、半導體性材料、半金屬性材料以及超導材料；從原子成分及結構形式來看，主要包括石墨烯家族、TMDs家族和磷烯家族等；從能帶結構來看，既包含直接帶隙材料，也包含間接帶隙材料；從響應波長范圍來看，包含了對可見光、近紅外光、中紅外光、遠紅外光、微波、甚至無線電波響應的材料，如圖5所示22。通過上述對幾種應用于納米器件的二維材料的性能總結及分析可知，石墨烯具有較高的遷移率及穩(wěn)定的熱力學性質，但由于其受能帶結構及對光的吸收特性的限制，石墨烯適宜于作為納米器件的電極材料、保護層材料等，或與二維半導體納米材料形成異質結。hBN由于較高的平整度及特殊的電學、光學性等能，可用于器件基底及保護層材料。因此以上兩種非半導體特性的二維材料可作為納米器件的輔助材料。然而決定納米電子器件及光學器件性能的最主要因素為溝道材料的電學及光學性能，因此具有半導體特性的TMDs、BP以及vdWHs等材料成為了決定器件性能的關鍵。由于不同半導體二維材料表現出的性能不同，因此不同材料可用于制造不同應用場合的納米器件，例如，相比于MoS2，BP更適合用于制造高遷移率的電子器件或近紅外波段相應的光電器件，但由于BP容易被氧化導致了器件性能的不穩(wěn)定性，但可以通過制備相應的vdWHs改善器件穩(wěn)定。因此，二維半導體材料所具有的優(yōu)異力學、電學及光學性能，為制造基于二維納米材料的高性能納米器件提供了可能性。

圖4 vdWHs的制備及電學性能87,89Fig. 4 The fabrication of vdWHs structure and its electrical properties 87,89.

圖5 二維材料體系示意圖22Fig. 5 Schematic illustration of 2D layered material system 22.

基于二維材料構建性能優(yōu)異、功能多樣的納米器件成為了納米科學技術研究和器件應用的重點。納米器件可應用于生物醫(yī)療、能量收集、邏輯電路、光電探測以及熱電器件等領域93。其中，基于二維納米材料的納米電子器件和光電器件是當前主要研究熱點。本文主要對基于二維半導體材料以及由此組成的vdWHs的納米電子器件和光電器件的相關研究工作進行分析與總結。

3 二維半導體材料納米電子器件研究現狀

二維半導體納米材料及相應的vdWHs所具有優(yōu)異的電學及力學性能，是實現新型納米電子器件的關鍵。目前，對于納米電子器件的研究主要集中于構建基于二維半導體納米材料的FET，其中如何利用二維材料提高器件的遷移率、開關比及整流特性等電學性能是研究的重點。另外，二維半導體材料也可用于制造傳感器等具有特殊功能的納米電子器件。

3.1 場效應晶體管

FET在半導體電子器件中占據重要的地位，是大規(guī)模集成電路的重要組件之一。由于傳統(tǒng)半導體材料表面存在許多懸掛鍵，不可避免地導致許多界面態(tài)的產生和聲子散射，而界面態(tài)對電子的捕獲以及聲子-電子相互作用導致的散射效應會極大地降低器件性能94。對于二維半導體納米材料，由于其表面缺乏懸掛鍵，且所有的自由載流子被束縛在原子級別的層狀結構內，因此可以獲得較窄的載流子分布和優(yōu)越的柵極電壓調控特性。即通過改變柵極電壓能夠有效地調控二維半導體層狀材料的能級狀態(tài)。這種優(yōu)越的柵極電壓調控特性極大地減小了器件的漏電流，因此二維半導體材料成為了未來FET的最佳溝道材料之一。

3.1.1 二維過渡金屬二硫化物場效應晶體管

最初過渡金屬二硫化物場效應晶體管的性能研究主要以三維TMDs晶體材料作為溝道材料。2004年，Podzorov等95首次報道了基于TMDs的高遷移率FET。研究中采用厚度約為10 mm的塊狀WSe2晶體作為溝道材料，討論了基于該溝道材料的FET性能。研究結果表明：晶體管的遷移率可達500 cm2·V-1·s-1，與單晶p型硅材料的晶體管相當。并且該器件在低溫下展現了雙極型傳輸和開關特性。然而以塊狀晶體結構作為溝道材料的FET開關比僅為104，難以滿足高性能器件的需求。2007年，Ayari等96采用機械剝離和化學剝離的方法獲得了厚度為原子級的MoS2層狀結構。且基于MoS2的FET不僅保持了較高的電子遷移率，而且器件開關比可達105。然而該FET的電子遷移率僅為0.5-3 cm2·V-1·s-1，難以滿足實際器件需求。針對該問題，Radisavljevic等97首次采用高介電常數材料HfO2作為局域頂柵絕緣層制造了基于單層MoS2的FET，如圖6a所示。測試結果表明：MoS2屬于典型的n型器件，且高介電常數材料HfO2大大降低基底中聲子散射對器件遷移率的影響，從而使器件具有很高的電子遷移率200 cm2·V-1·s-1、器件開關比1 ×108和低的功率耗散，從而證明了MoS2在FET和低功率器件中具有廣闊的應用。Liu等98利用褶皺的SiNx作為柵極絕緣層，使緊貼在絕緣層上的溝道材料MoS2獲得了非均勻分布的應力場，進而提高了場效應晶體管的器件性能。該FET在室溫及空氣環(huán)境下的開關比可達107，最高遷移率為820 cm-2·V-1·s-1，且器件性能可以保持數月的穩(wěn)定。溝道材料的厚度同樣影響器件的性能，Lin等99研究了MoS2的厚度對FET傳輸性能的影響，結果表明在溫度為77及295 K時，5-10層的MoS2具有較高的遷移率。另外，降低FET的亞閾值擺幅(Subthreshold Swing，SS)將有利于降低器件的功耗，Bhattacharjee等100實現了最小亞閾值擺幅為8.3 mV·decades-1的MoS2場效應晶體管，且遷移率可調控至84.3 cm-2·V-1·s-1。

除了作為溝道材料的TMDs的本征屬性對器件的性能有影響外，金屬與二維TMDs形成的肖特基接觸同樣決定著器件的整體性能。為了進一步提高二維材料FET的性能，Das等101研究了不同金屬電極對MoS2晶體管性能的影響，研究表明采用金屬鈧作為電極材料能夠極大地降低金屬半導體界面處的肖特基勢壘，從而提高了器件的性能。并通過結合高介電常數材料Al2O3作為器件背柵，將多層MoS2的電子遷移率提高到700 cm2·V-1·s-1，極大地改善了納米電子器件的應用。Kang等102采用試驗及理論計算的方式，研究了MoS2與金屬Mo之間的接觸電阻，計算表明接觸中的肖特基勢壘可降低至0.1 eV。由于基于二維TMDs的晶體管多為n型，因此研究者也致力于通過調控接觸性能獲得p型高性能FET。Fang等103采用化學摻雜的方法，對WSe2與源漏電極的肖特基接觸進行性能調控，實現了高性能單層的p型FET的制造，如圖6b所示。為降低接觸電阻對空穴注入的影響，以Pd作為電極材料，并通過采用NO2對器件終端接觸區(qū)域進行化學摻雜，使得單層WSe2在室溫狀態(tài)下表現出的空穴遷移率達250 cm2·V-1·s-1，開關比達為106，從而為實現p型FET提供了強力的支持。

圖6 基于過渡金屬二硫化物場效應晶體管97,103Fig. 6 FETs based on TMDs 97,103.

pn結由于其單向導電性及整流特性，是電子器件及數字邏輯電路的必要結構。目前通常采用兩種方式可以實現基于單一種類TMDs的pn結。第一種方式是采用靜電調控的方法，使材料的部分區(qū)域呈現p型特性，而另一部分則呈現n型特性，但該方法只適用于雙極性材料WSe2。Ross等104采用兩個Pd電極對WSe2的不同區(qū)域進行調控，使材料其形成pn結，并獲得了具有整流特性的納米電子器件，如圖7a所示。第二種方式則是采用化學摻雜，通過改變材料不同區(qū)域的傳輸特性形成pn結。Choi等105設計了具有不同的電極材料的MoS2器件，并且利用AuCl3溶液和Au納米顆粒對靠近Pd電極的區(qū)域進行摻雜，而由于hBN保護層的作用使材料的另一個區(qū)域的傳輸性能不發(fā)生變化，形成了可靠的橫向pn結，如圖7b所示。Li等106同樣采用AuCl3溶液對很薄的MoS2進行摻雜，并結合干法轉移技術，依靠材料的層間導電特性制造了厚度僅為3 nm的垂直結構pn結，如圖7c所示。該器件的整流比可達100，并且整流比與MoS2的厚度相關，證明了可通過改變MoS2的層數實現整流比的調控。

3.1.2 二維黑磷場效應晶體管

圖7 采用不同方法制造基于TMDs的pn結104-106Fig. 7 Schematic illustration of fabrication of pn junction based on TMDs with different methods 104-106.

圖9 基于二維黑磷的場效應晶體管中的pn結和包裹層113,116Fig. 9 The pn junction and protection layer for BP transistor 113,116

2014年，中國復旦大學Li等67首次實現了基于原子層級BP的FET，如圖8a所示。該FET具有雙極性調控特點和較大的器件開關比105，其性能能夠滿足邏輯電路的需求。同時，基于厚度為10 nm的BP的FET具有大于1000 cm2·V-1·s-1的載流子遷移率，該數值與硅基半導體器件的遷移率相當。Du等107重點研究了接觸電阻、雙極性輸出和溝道尺寸對基于BP的FET性能的影響，如圖8b所示。研究結果表明，由于Ni和Pd之間的功函數差值約為0.6 eV，因此采用Pd作為電極材料有利于減少接觸電阻。且可以通過改變溝道的長度、柵極電壓的大小、外加偏壓的大小實現將器件的傳輸特性從本征的p型轉變?yōu)閚型。隨著器件集成度的不斷提高，超短溝道器件在未來集成電路中將扮演更加重要的角色，因此Miao等108制造了溝道長度為20 nm的超短溝道FET，如圖8c所示。隨著器件溝道長度的降低，器件的電流密度迅速增加。與此同時，該器件還保持大于102的開關特性和一定的載流子遷移率。該研究結果為在未來高集成電路中的超短溝道器件的應用提供了支持。Wang等24則采用化學修飾的方法獲得了單原子層BP超晶格結構，如圖9d所示。利用Ag/AgCl溶液對基于BP的FET進行化學摻雜，將場效應管的開關比提升到107，并且同時保證了較高遷移率。Prakash等109利用Al原子對BP摻雜，形成了FET，其在260 K溫度下的遷移率大于1495 cm2·V-1·s-1。Han等110利用鉀對BP進行摻雜，同樣改善了器件性能。

除了在電子遷移率及開關比方面的優(yōu)勢之外，BP表現出明顯的各項異性對FET的性能存在巨大的影響。Liu等111通過在同一片BP材料表面構建不同角度電極，對基于BP的FET中各向異性的電子傳輸性能進行了研究，如圖8e所示。試驗表明器件的傳輸電流和電導隨著電極角度的不同發(fā)生變化。并通過第一性原理計算結果表明，BP沿不同方向的電子空穴有效質量有巨大的差異，并且與電流隨角度的變化趨勢一致，該試驗及理論計算證明了BP的各項異性的電子傳輸性能。Cao等112對BP的金屬-氧化物半導體FET進行了仿真分析，其結果表明，由于BP的能帶結構具有各項異性，當溝道長度小于10 nm時，器件的開啟電流要優(yōu)于基于MoS2的器件。

與二維TMDs中的WSe2相似，BP同樣表現出了明顯的雙極型傳輸性能，也因此也可采用靜電調控的方法實現pn結。Buscema等113采用兩個電極調控BP不同區(qū)域的傳輸特性，形成了可控的pn結，進而使得FET可以進行不同傳輸方式的轉換，如圖9a所示。Liu等114則采用Al對BP進行化學摻雜，同樣實現了pn結。研究表明Al原子能夠為BP提供自由電子，進而使BP從p型轉變?yōu)閚型。與此同時，通過Al對BP進行摻雜能夠將BP的電子遷移率提高2.5倍，器件開關比提高至5.6 × 103。

BP在空氣環(huán)境中的不穩(wěn)定性對納米電子器件的性能也產生一定的影響。Island等115對BP在空氣中的不穩(wěn)定性進行了研究。其中主要研究了空氣暴露的時間對BP表面形貌、器件性能的影響。長時間的將BP暴露在空氣中將導致BP的層數逐步低，甚至最終惡化為單層。通過對比不同時間下的器件傳輸性能可知：暴露在空氣中的BP表面會吸附氧氣，導致器件的閾值電壓發(fā)生偏移，極大的影響器件的穩(wěn)定性。盡管BP在空氣中不穩(wěn)定的性限制了其在器件中的應用，但目前的一些器件制造工藝手段極大的降低了BP氧化的過程。例如，在器件完成制造之后，采用原子層蒸鍍的方法在器件表面生長三氧化二鋁絕緣層，從而隔離BP與空氣之間的氧化反應。Joshua等116對比了完全暴露和采用氧化鋁包裹的BP場效應管的性能，結果如圖9b所示。將采用氧化鋁包裹的BP場效應管器件在空氣中暴露2周仍然能夠保持103的器件開關比和100 cm2·V-1·s-1的載流子遷移率，而完全暴露的器件的閾值電壓僅僅在6 h內就出現了很大的偏移。He等117利用C8-BTBT薄膜作為保護層，使基于BP的FET的工作壽命延長至20天，且器件的開關比為104-107。氮化硼薄膜118也可以作為保護層，有效提高BP器件的穩(wěn)定性。因此，采用絕緣層包裹的方式可以作為一種有效的方式延長基于BP的FET的器件壽命。

3.1.3 范德瓦爾斯異質結場效應晶體管

根據對vdWHs的性能分析可知，基于vdWHs的FET主要優(yōu)勢包含以下三個方面：與采用金屬電極與二維半導體材料形成肖特基不同，石墨烯憑借其極高的遷移率能夠與二維TMDs形成歐姆接觸，使得器件電學性能有極大的提升；二維氮化硼材料由于具備優(yōu)異的絕緣特性和平整的表面，極大地降低了對載流子的誘捕和散射作用；由于二維半導體材料傳輸性能各異、載流子遷移率較高和具備開關特性，使得其形成的異質結也同樣可作為納米電子器件的溝道材料，并能表現出原有單一材料所不具有的電學性能。這些優(yōu)勢極大的促進了vdWHs在FET中的應用。當前，根據載流子傳輸路徑的不同，基于vdWHs的FET的結構形式主要分為兩大類：橫向異質結結構(Lateral junction)和垂直異質結結構(Vertical junction)。在橫向異質結中，“邊靠邊”的結構形式使載流子主要在材料面內進行傳導。在垂直異質結中，“上對下”的結構形式使載流子主要在材料的層間進行傳導。

對于橫向異質結，2014年，加州大學伯克利分校的Roy等119首次實現了的全二維材料的FET。器件結構中采用MoS2作為有效的溝道材料，二維氮化硼作為頂柵，石墨烯作為三端子電極材料。該FET表現為n型器件，并且具有大于106的開關比和33 cm2·V-1·s-1的電子遷移率。Avsar等120在BP表面堆疊石墨烯，以石墨烯作為電極材料，以hBN材料完全包裹重疊區(qū)域，獲得了基于vdWHs的FET，如圖10a所示。采用hBN完全包裹器件表面，能夠有效的阻止BP性能的降低。并且石墨烯和BP之間形成了高質量的接觸狀態(tài)，從而提高了器件的性能。利用不同種類的二維材料形成pn結也是研究的熱點。Lee等121將p型材料WSe2和n型材料MoS2通過干法轉移的方法進行堆疊，同樣采用石墨烯作為電極材料形成WSe2/MoS2異質結，如圖10b所示。研究結果表明，該器件具有明顯的整流特性，即形成了pn結，并且該器件具有較低的反向電流，從而證明了WSe2和MoS2形成了高質量的傳輸界面。Li等122則采用兩步CVD生長的方法獲得了橫向的WSe2/MoS2異質結，進一步提升了傳輸界面的質量，并且通過開爾文掃描力顯微鏡對界面進行掃描可知，異質結的有效空間電荷區(qū)長度可達320 nm。Deng等123利用p型BP和n型MoS2形成了pn異質結，如圖10c所示。研究結果表明器件具有理想的整流特性，并且器件的整流比可以通過柵極電壓進行調控。類似地，Xu等124和Liu等125也制造了基于BP/MoS2異質結的場效應晶體管。

對于垂直異質結，主要用于垂直型FET(Vertical FETs，又稱為隧穿場效應晶體管)。該類型器件的實現主要歸功于二維半導體材料良好的層間導電性能。Georgiou等126制造了基于石墨烯電極和WS2的隧穿FET，如圖11a所示。器件以基底材料hBN、中間層WS2、上下兩層石墨烯在垂直方向形成三明治結構。因此器件中的電流沿著二維半導體材料的層間進行傳輸。由于傳輸的厚度僅僅取決于中間夾層材料的厚度，因此被稱為隧穿FET。器件在開啟狀態(tài)下具有極高傳輸電流，同時仍然保持較高的器件開關比106。另一種隧穿FET是采用石墨烯-二維半導體材料-金屬的結構形式。Yu等127以石墨烯作為源極，MoS2為溝道材料，采用Ti/Au作為漏極，硅基底作為柵極構建了隧穿FET，如圖11b所示。采用Ti作為漏極能夠和MoS2形成歐姆接觸從而有助于載流子的傳輸。另外采用背柵對單層石墨烯和MoS2之間的肖特基勢壘進行調控，獲得了開關比為103、電流密度為15000 A·cm-2的FET。Kang等128采用BP作為中間材料，同樣觀察到了相似的現象，如圖11c所示。器件的電流密度高達1600 A·cm-2，開關比達800。Sarkar等129提出了p型Ge和n型MoS2構成器件溝道。該結構極大地降低了器件的亞閾值擺幅31 mV·decades-1，使得該器件有望成為高性能低功耗電子器件。Miao等130利用垂直的BP和MoS2形成了真正意義上的以異質結為溝道材料的垂直結構pn結。垂直結構的pn結比橫向pn結展現更高的整流比。與此同時，利用MoS2隔絕BP和空氣的作用，提升了器件壽命。

圖10 橫向范德瓦爾斯異質結場效應管120,121,123Fig. 10 The 2D lateral vdWHs FETs 120,121,123.

圖11 垂直范德瓦爾斯異質結場效應管126-128Fig. 11 The 2D vertical vdW FETs 126-128.

3.2 其他特殊功能納米電子器件

二維半導體材料除了上述在FET中的應用外，可用于制造集成電路以及傳感器、憶阻器等具有特殊功能的納米電子器件。麻省理工學院的Wang等131實現了基于雙層MoS2的集成電路。該集成電路由12個雙層MoS2場效應管集合而成，如圖12a所示。由于采用了具有不同功函數的柵極材料，同時在FET中實現了增強模式和耗盡模式。并且該集成電路具備了逆變器、計算機閃存功能、靜態(tài)隨機存取等功能，并能夠和邏輯電路直接耦合。Yu等132利用WSe2作為溝道材料實現了高性能COMS，如圖12b所示。該器件表現出理想的傳輸特性，并且器件在不同偏壓下都具有高的噪聲容限。且該器件能夠作為逆向器，具有大的電壓增益和小的靜態(tài)功率。半導體二維材料也能夠被用于制造氣體傳感器。Abbas等133證明了基于BP的納米電子器件對NO2氣體極其敏感。隨著NO2氣體濃度的增加，器件的電導率逐漸增加，即使NO2的流量降低到5 μg·L-1，該器件仍具有檢測功能。另外，BP吸附和解吸附的時間大概在130-840 s。Guo等134利用柔性基底的彎曲制作了一種基于單層MoS2的NO2傳感器。應變效應能夠有效地控制器件中電子和光電子的輸運，因此利用拉伸應變和光照可顯著提高單層MoS2傳感器的靈敏度等性能。Ryu等135也利用柔性基底制造了一種基于的生物傳感器。MoS2還可以運用于為憶阻器，如圖12c所示。2018年，南京大學的繆峰136研究組利用石墨烯和MoS2形成的vdWHs，實現了全二維材料憶阻器，并且該器件能夠在高溫惡劣環(huán)境下進行工作。同樣西北大學的Hersam等137則將研制的多端子憶阻器成功的應用于神經形態(tài)學，該器件具備門控異源突觸功能。

4 二維半導體材料納米光電器件研究現狀

圖12 特殊功能二維半導體納米電子器件131,132,136Fig. 12 Special functional electronic devices based on two-dimensional semiconductor materials 131,132,136.

二維半導體材料除了應用于納米電子器件，還可以作為納米光電器件的重要組成部分。光電器件是一種基于光電效應實現光電轉換的功能組件。當光照射在光電器件的有效吸收表面時，足夠高能量的光子能夠激發(fā)電子從半導體材料的價帶躍遷到導帶中，從而在半導體內產生自由的電子空穴對。目前二維半導體材料能夠應用于光電探測器件、太陽能電池、半導體激光和LED等領域138。因此研究二維半導體材料高性能光電器件也是未來發(fā)展納米光電器件的熱點問題之一。

4.1 二維過渡金屬二硫化物光電器件

2011年，南洋理工大學的Yin等139首次對基于單層MoS2的光電器件進行測試。研究結果表明單層MoS2光電器件的截止響應波長為670 nm，并且器件的光響應率(也稱光光響應率，Photoresponsivity，R)為7.5 mA·W-1，響應時間為50 ms，如圖13a所示。該器件的光響應率略高于石墨烯光電器件光響應率(6.1 mA·W-1)140，從而證明了二維半導體材料在光電器件中的應用潛力。之后，許多研究者致力于研究獲得高光光響應率和較寬的波長響應范圍的納米光電器件。Lee等141研究了不同厚度的MoS2對光電器件性能的影響，如圖13b所示。隨著MoS2厚度的不斷增加，MoS2光電器件對光的響應波長達到了近紅外區(qū)域。Choi等142對比了多層MoS2對不同波長的響應，研究表明多層MoS2光電器件的光光響應率大于100 mA·W-1，并且響應波長范圍也達到了近紅外波段，可以完全替代氮化鎵、硅、砷化鎵光電器件。Lopez-Sanchez等143則針對單層MoS2光光響應率低的問題，通過對器件基底進行KOH和等離子清洗，獲得了光響應率為880 A·W-1的超高敏感單層MoS2光電器件，如圖13c所示。Zhang等144則利用CVD生長方法對比了單層MoS2在空氣和真空環(huán)境中的光電性能。由于在真空環(huán)境中能夠有效的避免空氣中雜質對器件的p型摻雜，獲得了光響應率高達2200 A·W-1的單層MoS2光電器件。

近些年來，采用其他特殊材料、工藝和結構改善基于MoS2的器件光電性能成為了主要發(fā)展趨勢。新加坡國立的Lu等145采用激光加工的方式對MoS2表面進行局域刻蝕，由于表面氧化和氧原子摻雜的原因，對MoS2的光電性能進行了改善，如圖14a所示。2015年，Kwon等146則對器件的結構進行改善，采用局域柵極的器件結構使接觸勢壘減小，從而增加了空間電荷區(qū)的熱電子，進而提升器件的光電性能。Kufer和Konstantatos147則采用HfO2對單層MoS2進行包裹，進一步提升了器件的性能，獲得了光響應率為10-104A·W-1和響應時間為10 ms-10 s光電器件，如圖14b所示。Wang等148采用鐵磁材料作為器件的柵極結構，降低了器件的漏電流，并且通過鐵磁材料引入了局域超高電場，有效的控制了載流子的傳輸，從而獲得了光響應率為2570 A·W-1的光電器件。另外，鐵磁材料的采用地將MoS2光電器件的響應波長范圍延伸到近紅外波段0.85-1.55 μm。Kang等149采用氨丙基三乙氧基硅烷對MoS2表面進行化學修飾，通過這種n型摻雜的方式獲得了光響應率為5750 A·W-1光電器件。通過化學摻雜的方法也可以獲得同質pn結。Li等106則利用AuCl3和芐基紫精摻雜劑對8 nm厚的MoS2的頂層和底層分別進行摻雜p型和n型摻雜，從而獲得了在垂直方向上最薄的pn結。該器件具有明顯的柵極調控的整流特性和光伏特性。Jin等150則采用Nb對MoSe2進行化學p型摻雜，同樣獲得了基于MoSe2的pn結。Sun等151也利用化學摻雜獲得了基于WSe2的光電探測器，光響應率為30 mA·W-1。除此之外，許多的研究組也研究致力于如何提升光與MoS2相互作用的研究中，其中最具代表性的事將等離子體納米結構和半導體材料相結合。Knight等152首次將等離子體結構和硅半導體光電器件結合調控策略。研究結果表明，光激發(fā)的熱電子在熱耗散之前可以跨越金屬與半導體之間的勢壘，從而作為光電器件中自由載流子的一部分。因此，將等離子體結構和二維半導體光電器件結合成為了近年來增強光電探測能力的重要手段。Sobhani等153利用Au納米顆粒實現了MoS2光電器件的增強。Miao等154利用矩形金納米陣列結構，實現了MoS2光電器件光電流的二次增強。Wang等155則將器件的電極結構制作為等離子體共振結構，增大了MoS2光電器件在近紅外波段的光電探測能力，如圖14c所示。Hou等156將五聚體納米光學天線結構應用于MoS2光電器件中，實現了MoS2光電器件在近紅外波段光電響應的增強，在光導模式下器件光響應率可達0.25 A·W-1，是無納米光學天線結構器件的2倍。

圖13 基于MoS2的光電器件139,141,143Fig.13 MoS2-based photodetector 139,141,143.

圖14 對MoS2光電器件性能改善法的不同方法145,147,156 Fig. 14 The different enhancement methods of MoS2-based photodetector 145,147,156.

4.2 二維黑磷光電器件

通過對BP的晶格結構及能帶結構分析可知，基于BP的光電器件的主要優(yōu)勢為在近紅外和紅外波段的響應。2014年荷蘭代爾夫特理工大學的Buscema等157首次進行了基于BP的光電器件性能研究，圖15a為器件的光響應率R。研究結果表明，BP光電器件具有較寬的響應波長范圍，涵蓋可見光波段到近紅外波段。同時器件響應時間僅為1 ms，從而證明了BP在快速光電響應方面的能力。為了進一步探索BP在不同波長的光響應能力，Wu等158研究了BP光電器件在紫外到近紅外波段的光電響應特性，如圖15b所示。研究結果表明，BP在紫外波段的光響應率達9 × 105A·W-1，而在近紅外波段則能達到1.82 A·W-1。Huang等159分別采用降低溫度和縮短溝道長度的方法實現了光響應率的提高。在溫度為20 K的條件下，當溝道長度縮短至100 nm時，光光響應率提高到4 × 107A·W-1。為了探究BP在中紅外區(qū)間的光電探測能力，Guo等160利用波長為3.39 μm的中紅外激光，研究了BP的光電響應能力。在此波長的激光輻照下，BP的光響應率為82 A·W-1，證明了BP在紅外波段具有極高的探測能力。Hou等161研究了BP厚度對器件輸出特性和傳輸特性的影響，并利用厚度為302.81 nm的簡并態(tài)BP制造了近紅外光電器件，其光響應率為2.42 A·W-1，并且該器件保持了較快的光響應速度2.5 ms。

圖15 基于BP的光電器件157,158,163Fig. 15 BP-based photodetector 157,158,163.

與MoS2相似，為了增強BP與光之間的相互作用，采用特殊的工藝對同樣可以對器件的性能進行提升。Nathan等162將BP光電器件與硅波導相結合，使器件具有較低的暗電流和較高的本征光響應率。Chen等163提出了一種三維集成結構，該結構將等離子結構、硅波導和BP光電器件相結合，如圖15c所示。采用60 nm的等離子結構間隙實現光的增強，利用硅波導實現光的定向傳播，極大的增強了器件的光光響應率10 A·W-1。Venuthurumilli等164利用蝴蝶結狀納米等離子激元增強結構，對基于BP的光電探測器進行增強，使其光響應率提高至無增強結構時的4倍。

4.3 范德瓦爾斯異質結光電器件

伴隨著二維半導體光電器件的發(fā)展，基于vdWHs的光電器件同樣受到研究者的關注。目前主要包括兩種光電器件。第一種基于vdWHs的光電器件是由石墨烯/二維半導體材料/石墨烯結構組成。二維半導體材料作為光吸收層，而石墨烯作為電極對光生載流子進行分離和收集，從而實現光電探測功能。2013年，曼徹斯特大學Britnell等165首次證明了vdWHs具有較強的光與物質相互作用。采用石墨烯為電極，WS2為吸光材料制備了首個基于vdWHs的光電器件，圖16a為器件的外量子效率(External quantum efficiency，EQE)。研究結果表明，由于WS2具備范霍夫奇點的態(tài)密度分布導致光與器件具有強的相互作用。Roy等166提出了石墨烯/MoS2/石墨烯結構，并且對此結構的光電性能進行表征，圖16b為器件的光響應率及導電率。這種異質結構展現超高靈敏的光電探測能力和柵極可調控的光光響應率，并且能夠用于光電開關和存儲器。Yu等167同樣證明了在石墨烯/MoS2/石墨烯結構異質結中具有柵極調控的高效光電流生成的現象，如圖16c所示。Zhang等168則將石墨烯放置于MoS2之上實現了超高增益(＞ 108)的光電器件。Massicotte等169證明了vdWHs具有皮秒級別的光響應時間。該器件結構采用WSe2作為溝道材料，利用上下層的石墨烯作為電極材料。并且為了降低聲子及其他因素對光響應的影響，利用氮化硼材料對結構進行包裹?；谠摦愘|結的器件光響應時間為5.5 ps，從而證明了異質結在超快光電器件方面的應用潛力。

第二種vdWHs光電器件則是由二維半導體材料-二維半導體材料結構組成。由于形成異質結的兩種半導體材料具有不同的摻雜類型，因此這種形式同樣可以作為光伏器件的基本單元。根據兩種半導體材料相對位置的不同，可以分為垂直異質結光電器件和橫向異質結光電器件。

圖16 基于石墨烯/二維半導體/石墨烯結構光電器件165-167Fig. 16 Graphene/2D semiconductor/Graphene photodetector165-167.

圖17 垂直異質結光電器件174,178Fig. 17 Vertical heterojunction photodetector 174,178

對于垂直異質結光電器件，通常采用干法轉移的方法實現，使其形成II類能帶排列。以n型MoS2和p型WSe2為例121，MoS2導帶底和的WSe2的價帶頂在重疊區(qū)間形成較小的能帶間隙，從而使得在各自區(qū)間本征激發(fā)的電子空穴對能夠在該能帶間隙中進行復合。該能帶結構的優(yōu)勢在于較強的層間載流子耦合作用和超快的載流子傳輸作用。2014年，Lee等121首次提出了基于原子級別vdWHs的光電器件。為了有利于電子和空穴的注入，采用Pa和Al金屬分別與WSe2和MoS2形成金屬半導體接觸結。當激光輻照時，器件具有明顯的柵極可調的光伏特性。通過對器件的光電流成像結果表明，光電流的產生區(qū)域主要集中在重疊部分，揭示了光生載流子在界面處的分離是產生光伏特性的主要原因。在此之后，各種各樣的異質結組合都獲得了相似的實驗結果，包括MoS2/WS2170，WSe2/WS2171，WSe2/MoSe2172等。尤其是Pezeshki等173設計的基于α-MoTe2/MoS2的光電器件具有從可見光到近紅外區(qū)域(800 nm)的光電響應。并且在可見光區(qū)間的光響應率達322 mA·W-1，在近紅外區(qū)域的光響應率達38 mA·W-1。Liu等174利用外延生長合成了Sb2Te3/MoS2異質結，基于該異質結的器件具有明顯的整流特性，器件開關比為106，光光響應率為330 A·W-1。除了TMDs與TMDs之間的組合，近年來由于BP屬于本征的p型材料以及具備較寬的波長響應范圍，因此TMDs和BP形成的異質結也是實現光電器件的總要材料。Ye等175對MoS2/BP異質結的近紅外響應特性進行研究。在波長為532 nm的光照下，器件的光光響應率達到22.3 A·W-1，而在波長為1550 nm的光照下，器件具有153.4 mA·W-1的光光響應率，如圖17a所示。Kwak等176則進行了波長為405 nm和太陽光譜下的性能表征。研究結果表明器件，在405 nm波長光照下器件的外量子產率達4.4%，并且光伏效率達4.6%。Zheng等177也獲得了在582 nm波長的光下，光響應率為2.17 A·W-1的MoS2/BP光電二極管。除了上述兩種材料的組合之外，三明治結構的異質結也有相關的報道。Long等178則提出了MoS2/石墨烯/WSe2的三明治結構，圖17b為器件的結構示意圖及器件對不同波長的光的光響應率R。由于石墨烯具有較寬的吸收光譜，因此該結構成功的將器件的探測范圍擴展到紅外波段，極大的提高了器件的響應波段。Li等179則實現了WSe2/BP/MoS2三明治異質結。該器件在波長為1550 nm的光照下光響應率達1.12 A·W-1。

橫向異質結光電器件的快速發(fā)展則歸功于化學氣相沉積方法的不斷成熟。當前，一步化學氣相沉積法和兩步化學氣相沉積法已經能夠實現二維半導體材料之間的可靠成鍵。通過此方法獲得的異質結界面改善了干法轉移帶來的界面形成的不穩(wěn)定現象，極大的降低了界面對電子空穴對分離、收集的影響122。在生長的過程中，首先在基底上通過外延生長的方式在溫度為925 °C環(huán)境下獲得單層WSe2，之后在755 °C溫度下沿著W原子的前沿外延生長MoS2，從而獲得異質結構。Gong等180通過控制生長的時間，先后獲得了橫向異質結WSe2/MoSe2。2014年，華盛頓大學的Huang等181首次對生長的WSe2/MoSe2異質結進行熒光譜表征。研究結果表明在形成的界面處展現明顯的光致發(fā)光特性。Duan等182通過先后對MoS2/MoSe2和WS2/WSe2異質結進行性能表征。該異質結具有柵極可調的整流特性，而且能夠用于互補型反相器。與此同時，該結構具有明顯的光伏特性。在此之后，WS2/MoS2183、WSe2/MoS2120等橫向異質結相繼出現。

5 總結與展望

綜合以上對基于不同二維半導體納米材料的納米電子器件及光電器件的性能分析可知：(1)對于納米電子器件，基于TMDs的納米電子器件具有較高的開關比，但其遷移率普遍較低。而基于BP的納米電子器件能夠具有較高的遷移率，并且由于BP的各向異性，使其具有獨特的器件性能。但基于BP的納米電子器件的開關比較低，且由于BP易于氧化，器件的性能難以保持穩(wěn)定?；趘dWHs的電子器件的優(yōu)勢在于能夠結合不同二維材料的特性，并且器件具有較高的整流特性，相比于利用靜電調控等方法實現BP或MoS2的pn結，利用制備vdWHs的方法能夠更容易實現pn結的制造，從而為功能多樣的納米器件提供實現途徑，但目前vdWHs的制備和生長機理還處于探索階段，制備方法的不成熟制約了器件的發(fā)展。(2)對于納米光電器件，基于MoS2等TMDs的納米光電器件在可見光波段具有較高的光響應率，但在近紅外波段的響應較差，且目前難以對中紅外波長的光進行響應，另外器件的響應時間一般在在毫秒級甚至秒級，因此基于TMDs的納米光電器件不適合在近紅外響應以及快速響應等方面的應用，限制了其在航空航天、國防安全的核心探測組件、光纖通信、醫(yī)療成像等特殊波段探測方面的應用?；贐P的納米光電器件具有可至中紅外波段的光響應范圍，但在近紅外波段仍存在光電響應能力低、響應速度慢、光伏性能弱等方面的問題，并且BP的不穩(wěn)定性嚴重制約了其在光電器件中的應用?；趘dWHs的光電器件具有微秒級別的光響應時間，因此可用于快速探測等方面，但器件的光電轉換能力(尤其是光伏特性)較弱，不利于在能量收集等方面的應用，同時材料制備技術也制約了其發(fā)展。因此，在發(fā)展高性能納米電子器件以及全波段快速響應的光電器件仍需要進一步的研究。

另外，除利用不同種類的半導體二維材料改善納米電子器件及光電器件的性能外，通過優(yōu)化器件結構或利用靜電調控、化學摻雜、等離子體增強等也可實現性能的提高。根據對溝道材料性能調控的方法可將納米器件分為：基于二維半導體材料本征屬性的器件和基于二維半導體材料非本征屬性的器件。(1)基于二維半導體材料本征屬性的器件指得是，在保持二維半導體材料本征屬性的基礎上，通過設計和優(yōu)化器件的幾何結構、減少接觸電阻、氧化膜封裝、石墨烯包裹等方法改善納米器件的載流子傳輸、分離和收集能力。優(yōu)化器件結構主要對納米器件中的電極和傳輸溝道的幾何結構進行優(yōu)化，目的是減小載流子在二維半導體溝道傳輸過程中的散射作用。減少接觸電阻主要通過對器件電極的材料進行優(yōu)化或者對器件進行退火過程，獲得優(yōu)異的電極，改善二維半導體材料與電極的接觸界面特性，從而提高載流子跨越肖特基接觸勢壘的概率。氧化膜封裝目的是隔絕空氣中的雜質誘捕作用和減小溝道的聲子散射。石墨烯三明治包裹法則利用石墨烯材料超高的載流子遷移率，提升器件中載流子的收集能力。盡管上述方法不同程度的實現器件性能改善，但是對器件的制造工藝提出了極高的要求。例如，在對器件溝道的優(yōu)化方面，無法采用常規(guī)的紫外光刻技術實現低于20 nm的短溝道器件；在對電極材料的優(yōu)選方面，雖然特殊的金屬材料如鈧、鈮等表現出了良好的性能，但材料成本及制造成本較高。而采用氧化膜封裝法和石墨烯三明治包裹的方法則需要依賴復雜的生長、轉移等制造工藝。(2)基于二維半導體材料非本征屬性的器件則采用物理或者化學方法對二維半導體材料中的能帶結構、載流子傳輸類型和濃度進行調控。主要方法包括靜電調控法、化學摻雜法、等離子體增強法、波導集成法等。靜電調控法主要針對雙極性二維半導體材料，采用局域靜電調控的方法改善溝道之間不同區(qū)域的載流子傳輸極性，從而實現器件在不同工作模式下的轉換?；瘜W摻雜的方法是利用不同的摻雜材料對二維半導體材料進行載流子傳輸濃度和類型的調控，從而實現器件性能的改善。等離子體增強法則是通過等離子結構產生的“熱”電子注入的方式，改善納米器件中電子的濃度，進而增強器件的性能。波導集成法則是將光波導與納米器件的傳輸溝道相結合，增強器件對光的響應。然而靜電調控法受限于雙極性材料，化學摻雜法則需要對摻雜材料進行選擇，不匹配的摻雜容易導致材料性能的失效，等離子體增強和波導集成則是處于研究的初始階段。

綜上所述，實現具有高遷移率、高開關比、優(yōu)異的整流特性的電子器件以及可用于近紅外光電探測、能量收集、高速響應的光電器件是未來發(fā)展的主要方向。因此在研究新型二維納米材料的同時，根據不同材料的特殊性能，優(yōu)化納米器件結構形式，并借助于不同的制造手段，也是提升納米器件的性能、拓寬器件應用范圍的重要方法。