李景峰,仲崇慧,劉世光,寧 提,祁嬌嬌,王成剛

(1.華北光電技術(shù)研究所,北京 100015；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司,北京 100846)

1 引 言

光場(chǎng)增強(qiáng)的方式通常是將二維材料光電探測(cè)器中置入光學(xué)增強(qiáng)結(jié)構(gòu),當(dāng)結(jié)構(gòu)的參數(shù)確定以后,對(duì)光電探測(cè)器增強(qiáng)的強(qiáng)度就固定不變了。電場(chǎng)增強(qiáng)二維材料光電探測(cè)器,則利用可控的電場(chǎng)對(duì)二維材料光電探測(cè)器進(jìn)行增強(qiáng),提高探測(cè)器的響應(yīng)度,產(chǎn)生的增強(qiáng)效果是可調(diào)控的。這為摸索電場(chǎng)對(duì)二維材料光電探測(cè)器最佳的增強(qiáng)效果提供了極大的方便。從解決問(wèn)題的思路來(lái)講,通過(guò)電場(chǎng)增強(qiáng)二維材料光電探測(cè)器采用外界因素影響二維材料的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)器的改良,二維材料本征屬性并沒有改變。而力場(chǎng)增強(qiáng)二維材料光電探測(cè)器,則是通過(guò)力場(chǎng)來(lái)改變二維材料的本征屬性,實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)器的改良。下面詳細(xì)介紹兩種增強(qiáng)二維材料光電探測(cè)器的方式。

2 電場(chǎng)增強(qiáng)二維材料光電探測(cè)器的研究背景

電場(chǎng)增強(qiáng)中,為了提升探測(cè)器的性能,需要制備n-p結(jié)型光電探測(cè)器,以至三極管型光電探測(cè)器,因此二維材料進(jìn)行雙極性調(diào)控是很有必要的。然而在具有典型代表的二硫化鉬光電探測(cè)器中,由于二硫化鉬器件中溝道材料和電極之間存在強(qiáng)烈地費(fèi)米釘扎效應(yīng)[1-2],使得利用不同功函數(shù)的金屬制備二硫化鉬器件的電極時(shí),器件中溝道二硫化鉬始終顯示為n型半導(dǎo)體的類型,無(wú)法通過(guò)將制備電極的金屬替換成高功函數(shù)的金屬來(lái)調(diào)節(jié)成p型。研究人員對(duì)于二硫化鉬器件中電極金屬的功函數(shù)對(duì)器件性能的影響進(jìn)行了相關(guān)研究:2013年,Saptarshi Das等人用功函數(shù)不同的金屬鈧(功函數(shù)3.5 eV)、金屬鈦(功函數(shù)4.3 eV)、金屬鎳(功函數(shù)5 eV)、金屬鉑(功函數(shù)5.9 eV)分別制備二硫化鉬的器件的電極。對(duì)相關(guān)器件進(jìn)行測(cè)試,得到的器件的轉(zhuǎn)移曲線可以判斷溝道二硫化鉬材料始終為n型。即金屬電極和二硫化鉬之間存在強(qiáng)烈地費(fèi)米釘扎效應(yīng),使得金屬電極的功函數(shù)釘扎在二硫化鉬的導(dǎo)帶附近,如圖1(a)所示[3]。2014年,Naveen Kaushik等人研究發(fā)現(xiàn)分別用金(功函數(shù)5.1 eV),鈀(功函數(shù)4.4 eV)制備二硫化鉬器件的電極時(shí),二者與二硫化鉬之間肖特基勢(shì)壘相差不大,并證明了金與鈀的功函數(shù)釘扎在二硫化鉬導(dǎo)帶附近,如圖1(b)所示。

(a)不同功函數(shù)金屬與二硫化鉬接觸后能帶的變化及對(duì)應(yīng)器件的轉(zhuǎn)移曲線[3]

(b)金、鈀與二硫化鉬接觸后能帶的變化[4]圖1 不同金屬與二硫化鉬接觸后的能帶變化Fig.1 Energy band changes of different metals after contact with molybdenum disulfide

可見二硫化鉬與不同功函數(shù)的金屬接觸形成的器件,產(chǎn)生的肖特基勢(shì)壘是相近的[4],因此采用常規(guī)器件工藝很難制備p-n結(jié)型二硫化鉬光電探測(cè)器。

2.1 電場(chǎng)增強(qiáng)二維材料光電探測(cè)器的原理

為了解決二硫化鉬器件中,因?yàn)橘M(fèi)米能級(jí)釘扎導(dǎo)致二硫化鉬始終呈現(xiàn)n型的問(wèn)題,研究人員利用具有雙電子層的離子?xùn)艑?dǎo)體作為柵介質(zhì)來(lái)調(diào)控二硫化鉬。下面介紹一下雙電子層器件的機(jī)理:電化學(xué)電池中金屬電極浸入在電解液中,在電極之間施加電壓時(shí),正負(fù)離子在電壓的驅(qū)動(dòng)下會(huì)朝著電性相反電極移動(dòng)。因?yàn)橐欢ǖ碾妷合?離子也可能發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。在電壓不足以發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)時(shí),離子會(huì)在半導(dǎo)體表面整齊的排列,呈現(xiàn)電子態(tài)電荷在電極表面積聚,屏蔽了離子產(chǎn)生的電場(chǎng)。電荷被靜電限制在半導(dǎo)體的表面形成二維電子氣。在這個(gè)過(guò)程中,電解液中離子和半導(dǎo)體中的電荷電子的距離大約為1 nm甚至少于1 nm,極小的作用距離使得離子?xùn)艑?duì)半導(dǎo)體產(chǎn)生更強(qiáng)的作用。電解液和電極的示意圖如圖2(a)所示,即納米間隙平行板電容器,即稱為雙電子層結(jié)構(gòu)。利用離子?xùn)抛鳛轫敄诺臇沤橘|(zhì)做成器件,示意圖如圖2(b)所示。在器件溝道處有效形成雙電子層,從而使得溝道中的半導(dǎo)體更有效地被調(diào)控。離子導(dǎo)體柵還具有一大突出的優(yōu)點(diǎn)就是離子導(dǎo)體中載流子濃度極高,以有機(jī)聚合物季銨磺酸亞胺鹽(DEME-TFSI)為例:其載流子濃度可以達(dá)到8×1014cm-2[5]。綜上可以總結(jié)離子導(dǎo)體作為器件的柵介質(zhì)層有兩大突出優(yōu)點(diǎn):第一,離子導(dǎo)體柵可以更近距離地作用溝道,從而感應(yīng)溝道中產(chǎn)生更多的電荷,提高調(diào)控效率。第二,離子導(dǎo)體中具有極高的載流子濃度,可以在電場(chǎng)趨使下,使高濃度的載流子作用于溝道半導(dǎo)體,相比于常規(guī)介電層材料會(huì)更高效地調(diào)控溝道半導(dǎo)體。

(a)雙電子層結(jié)構(gòu)示意圖[6]

(b)雙電子層結(jié)構(gòu)器件示意圖[6]圖2 雙電子層示意圖Fig.2 Schematic diagram of electric double layer

對(duì)于電場(chǎng)增強(qiáng)二維材料光電探測(cè)器,還可以采用有機(jī)鐵電材料作用柵介質(zhì)材料,對(duì)二維材料的暗電流進(jìn)行調(diào)控。此外對(duì)于易實(shí)現(xiàn)雙極性調(diào)控的二維材料,可在其光電探測(cè)器中制備局域埋柵結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)局域的調(diào)控,從而制備出p-n結(jié)的光電探測(cè)器,利用p-n產(chǎn)生的內(nèi)建電場(chǎng)有效分離光生電子空穴對(duì)。這種探測(cè)方式,相比于光導(dǎo)型的突出優(yōu)點(diǎn)就是不需要施加偏壓,就可以實(shí)現(xiàn)光探測(cè),有效降低電能消耗。

2.2 電場(chǎng)增強(qiáng)二維材料光電探測(cè)器的發(fā)展現(xiàn)狀

2012年,Yijin Zhang等人利用有機(jī)液態(tài)離子導(dǎo)體DEME-TFSI作為頂柵的柵介質(zhì)制備雙極性的片層二硫化鉬探測(cè)器[7]。通過(guò)雙電子層超強(qiáng)的調(diào)控能力實(shí)現(xiàn)將溝道二硫化鉬片的半導(dǎo)體類型從n型調(diào)節(jié)成p型,并且實(shí)現(xiàn)p型二硫化鉬載流子遷移率是n型二硫化鉬的載流子遷移率的兩倍。p型二硫化鉬的載流子濃度可達(dá)到1×1014cm-2,器件實(shí)現(xiàn)了對(duì)二硫化鉬的雙極性調(diào)控,極大拓寬了二硫化鉬光電探測(cè)器的應(yīng)用前景,示意圖如圖3(a)和(b)所示。2013年,同樣是Yijin Zhang等人利用DEME-TFSI作為頂柵的柵介質(zhì),實(shí)現(xiàn)了二硫化鉬的p-n結(jié)的制備[8]。在180 K時(shí),器件具有明顯地整流特性,器件的暗電流會(huì)相比于220 K時(shí)會(huì)降低,如圖3(c)和(d)所示。這是首次利用二硫化鉬材料實(shí)現(xiàn)p-n結(jié)的制備,拓展了二硫化鉬在光伏型光電探測(cè)器應(yīng)用范圍。

(a)有機(jī)液態(tài)離子?xùn)哦蚧f器件示意圖[7]

(b)器件的轉(zhuǎn)移曲線[7]

(c)有機(jī)液態(tài)離子?xùn)哦蚧fp-n結(jié)示意圖[8]

(d)p-n結(jié)器件低溫下的輸出曲線[8]圖3 有機(jī)離子?xùn)哦蚧f器件性能測(cè)試Fig.3 The performance measurements of organic liquid ionic gate molybdenum disulfide device

利用有機(jī)鐵電材料作為二硫化鉬光電探測(cè)器柵極的介電層,也可以對(duì)二硫化鉬器件的暗電流進(jìn)行調(diào)控[9-10]。2015年Xudong Wang等人利用有機(jī)鐵電材料聚偏氟乙烯共聚物(poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene),P(VDF-TrFE))作為二硫化鉬光電探測(cè)器的頂柵的柵介質(zhì),通過(guò)有機(jī)鐵電材料超強(qiáng)的調(diào)控能力以及鐵電材料的遲滯效應(yīng),對(duì)二硫化鉬光電探測(cè)器的暗電流進(jìn)行調(diào)控[10]?？梢娪袡C(jī)鐵電材料作為柵介電層,可以有效提高二硫化鉬光電探測(cè)器探測(cè)率,最大的探測(cè)率可以達(dá)到1012Jones量級(jí)。鐵電有機(jī)材料對(duì)二硫化鉬光電探測(cè)器的調(diào)控,使得二硫化鉬光電探測(cè)器在未來(lái)電子器件應(yīng)用前景更加光明。其光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖如圖4(a)所示。有機(jī)鐵電材料對(duì)暗電流調(diào)控性能可從輸出曲線中展示,如圖4(b)所示。

(a)鐵電材料作為頂柵材料的二硫化鉬光電探測(cè)器[10]

(b)器件在不同鐵電極化場(chǎng)作用下的輸出曲線[10]圖4 鐵電頂柵對(duì)器件暗電流調(diào)控Fig.4 The regulation of dark current of device by ferroelectric top gate

雖然有機(jī)離子導(dǎo)體、有機(jī)鐵電材料作為頂柵的柵介質(zhì)時(shí),都可以體現(xiàn)它們超強(qiáng)的調(diào)控能力,實(shí)現(xiàn)對(duì)二硫化鉬載流子濃度的有效調(diào)控。尤其是離子導(dǎo)體柵,可以實(shí)現(xiàn)二硫化鉬的雙極性調(diào)控。但由于難以精確控制有機(jī)物的旋涂區(qū)域,要實(shí)現(xiàn)對(duì)二硫化鉬器件的局域調(diào)控是比較困難,并且有機(jī)材料與傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝不兼容,很難在短期內(nèi)進(jìn)行大面積推廣。

對(duì)于用常規(guī)電介質(zhì)就能調(diào)控成雙極性的二維材料,以二硒化鎢為例。通過(guò)局域埋柵的制備,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溝道材料局域部分進(jìn)行有效地調(diào)控,從而制備p-n結(jié)光伏型的二維材料光電探測(cè)器。由于內(nèi)建電場(chǎng)的存在,光電探測(cè)器在不加偏壓的情況下,可產(chǎn)生光電流實(shí)現(xiàn)光電探測(cè)。

2014年,Andreas Pospischil等人制備具有局域埋柵結(jié)構(gòu)的二硒化鎢器件。在器件電極的兩端下方,制備了兩個(gè)局域埋柵結(jié)構(gòu)[11],器件結(jié)構(gòu)示意圖如圖5(a)所示。由于二硒化鎢很容易調(diào)節(jié)成雙極性,在兩側(cè)埋柵分別加正負(fù)柵壓時(shí),在溝道中會(huì)形成p-n結(jié)。在p-n結(jié)中會(huì)產(chǎn)生開路電壓和短路電流,器件測(cè)試的輸出曲線如圖5(b)所示,制備的p-n結(jié)器件可以對(duì)光進(jìn)行探測(cè),其光響應(yīng)度為16 mA·W-1,同時(shí)也可應(yīng)用于太陽(yáng)能電池領(lǐng)域,實(shí)現(xiàn)對(duì)光能的存儲(chǔ)。

同年,Britton W. H. Baugher等人也制備成功單層的二硒化鎢光電探測(cè)器[12],其結(jié)構(gòu)如圖5(c)所示,相比于Andreas的工作,該工作的主要區(qū)別是柵介質(zhì)采用了High-K材料二氧化鉿。在高的偏壓下,p-n結(jié)器件實(shí)現(xiàn)光響應(yīng)度可達(dá)到210 mA W-1,在低的偏壓下可實(shí)現(xiàn)p-n結(jié)太陽(yáng)能電池的功能。器件在830 nm波長(zhǎng),功率75 mW的激光的光電流mapping如圖5(d)所示。器件測(cè)試條件為0 V偏壓,從而體現(xiàn)器件在沒有消耗電能的情況下也可進(jìn)行光電探測(cè),這顯示出制備的二硒化鎢n-p結(jié)光電探測(cè)器具有低功耗的優(yōu)點(diǎn)。

(a)雙埋柵硒化鎢器件示意圖[11]

(b)器件暗態(tài)及光態(tài)下的輸出曲線[11]

(c)氧化鉿作為柵介質(zhì)的硒化鎢器件示意圖[12]

(d)器件在零偏壓下的光電流mapping[12]圖5 雙柵器件設(shè)計(jì)及性能測(cè)試Fig.5 The design and performance measurements of the device with double gate

總結(jié)前文,對(duì)于二維材料二硫化鉬來(lái)講,常規(guī)固態(tài)電介質(zhì)材料很難將溝道二硫化鉬調(diào)控成雙極性。而有機(jī)離子導(dǎo)體作為柵極電介質(zhì)材料,雖然可以實(shí)現(xiàn)將溝道二硫化鉬調(diào)控成雙極性,但是利用有機(jī)離子導(dǎo)體制備的柵極很難實(shí)現(xiàn)局域化的調(diào)控效果。并且有機(jī)離子導(dǎo)體柵的制備過(guò)程,與傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件的制備工藝不兼容。因?yàn)閭鹘y(tǒng)半導(dǎo)體器件制備中涉及到丙酮等有機(jī)試劑的使用,這會(huì)對(duì)有機(jī)物產(chǎn)生破壞。因此需要尋找具有高效調(diào)控能力的電介質(zhì)材料(可以調(diào)控二硫化鉬這類難調(diào)控的二維材料),且該種材料與傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝兼容。

3 力場(chǎng)增強(qiáng)二維材料光電探測(cè)器的研究背景

石墨烯零帶隙能帶結(jié)構(gòu)難以大量吸收入射光,導(dǎo)致石墨烯器件光響應(yīng)度較低。通常不超過(guò)10 mA·W-1,需要通過(guò)力場(chǎng)打開石墨烯帶隙,提高器件的光響應(yīng)。而二硫化鉬光電探測(cè)器中也存在響應(yīng)速度慢的問(wèn)題,下面進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2013年,Michael S. Fuhrer等人制備了同時(shí)具有頂柵結(jié)構(gòu)與底柵結(jié)構(gòu)的二硫化鉬光電探測(cè)器[13],如圖7(a)和(b)所示。測(cè)得光電探測(cè)器在底柵柵壓調(diào)控下的載流子遷移率為2 cm2·V-1·s-1,然而測(cè)得在頂柵柵壓調(diào)控下的載流子遷移率卻為7 cm2·V-1·s-1。底柵與頂柵柵壓分別調(diào)控時(shí),載流子遷移率出現(xiàn)不同的原因是頂柵、底柵對(duì)應(yīng)了不同的串聯(lián)電阻。二硫化鉬載流子遷移率為2～7 cm2·V-1·s-1的數(shù)值,相對(duì)于其他二維材料,二硫化鉬在器件中的載流子遷移率偏低,這極大限制了二硫化鉬光電探測(cè)器在高速探測(cè)等領(lǐng)域中的應(yīng)用?？梢娡ㄟ^(guò)力場(chǎng)增強(qiáng)二硫化鉬光電探測(cè)器,解決二硫化鉬器件響應(yīng)速度慢的問(wèn)題是十分必要的。

(a)具有頂柵結(jié)構(gòu)的二硫化鉬光電探測(cè)器示意圖[13]

(b)二硫化鉬器件載流子遷移率測(cè)試[13]圖6 二硫化鉬器件載流子遷移率測(cè)試Fig.6 The measurement of carrier mobility in molybdenum disulfide device

(a)石墨烯結(jié)構(gòu)及在應(yīng)力下能帶的變化[14]

(b)石墨烯能帶與應(yīng)力的變化關(guān)系[14]圖7 石墨烯應(yīng)力調(diào)控Fig.7 The stress regulation of graphene

3.1 力場(chǎng)增強(qiáng)二維材料光電探測(cè)器的原理

力場(chǎng)增強(qiáng)二維材料光電探測(cè)器的主要形式是對(duì)溝道二維材料施加應(yīng)力。以石墨烯為例,對(duì)應(yīng)力影響二維材料的性能進(jìn)行分析[14-22]。石墨烯軌道結(jié)構(gòu)是由1個(gè)s軌道和2個(gè)p軌道雜化形成3個(gè)新的原子軌道,這三個(gè)原子軌道是平面三角形構(gòu)型,還有一個(gè)p軌道未參與雜化,各個(gè)碳原子未參與雜化的p軌道彼此互相平行且相互重疊。第一性原理相關(guān)計(jì)算表明,軸向應(yīng)力能夠打破石墨烯晶格的空間反演對(duì)稱,影響p軌道上的π電子。隨著對(duì)石墨烯應(yīng)力施加加大,石墨烯的帶隙被打開。如圖7(a)和(b)所示。石墨烯帶隙的打開可以提高石墨烯的光吸收,從而提高石墨烯光電探測(cè)器的性能。

對(duì)于二硫化鉬等過(guò)渡族金屬硫族化合物,施加應(yīng)力可以有效調(diào)控材料的帶隙。同時(shí)施加應(yīng)力也可有效調(diào)控材料的載流子遷移率,從而提高二維材料光電探測(cè)器的響應(yīng)速度。

3.2 力場(chǎng)增強(qiáng)二維材料光電探測(cè)器的發(fā)展現(xiàn)狀

2008年,Jianxin Zhong等人利用第一性原理對(duì)石墨烯進(jìn)行了受力分析,主要研究了石墨烯中分布不對(duì)稱應(yīng)變會(huì)導(dǎo)致石墨烯費(fèi)米能級(jí)的打開[23]。如圖8(a)所示,在較小的應(yīng)變時(shí),石墨烯材料的泊松比接近0.173,而在較大的應(yīng)變下,泊松比沿著不同大方向會(huì)有所下降,反映了石墨烯材料泊松比與應(yīng)變的關(guān)系。如圖8(b)所示,由于應(yīng)變分布與碳-碳鍵平行,隨著應(yīng)變的增大,石墨烯的帶隙會(huì)不斷地增大,石墨烯最大的帶隙可達(dá)到0.486 eV。對(duì)于應(yīng)變垂直于碳碳鍵的石墨烯,其帶隙是連續(xù)的,當(dāng)應(yīng)變?cè)龃蟮?.3 %時(shí),其帶隙寬度僅可增大到0.17 eV。2009年,F. Guinea等人研究了石墨烯在應(yīng)力作用下對(duì)石墨烯能帶產(chǎn)生的影響,并繪制石墨烯在應(yīng)力作用下產(chǎn)生偽磁場(chǎng)的分布模擬圖[24],如圖8(c)所示。通過(guò)理論計(jì)算得到,在應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)變作用下,石墨烯的帶隙能夠打開,如圖8(d)所示。相關(guān)理論研究證明石墨烯的帶隙可以通過(guò)施加應(yīng)力打開,所以通過(guò)應(yīng)力調(diào)控的方式,可以有效地提高石墨烯的光吸收,進(jìn)而提高石墨烯光電探測(cè)器的光響應(yīng)度。

(a)不同應(yīng)變下,石墨烯的泊松比變化[23]

(b)石墨烯產(chǎn)生的帶隙隨原胞y方向長(zhǎng)度的變化[23]

(c)石墨烯在應(yīng)變下偽磁場(chǎng)的分布[24]

(d)在應(yīng)變下石墨烯能帶的分布[24]圖8 石墨烯應(yīng)變調(diào)控Fig.8 The strain regulation of grapheme

對(duì)二硫化鉬來(lái)講,施加應(yīng)力可以改變材料一些屬性。2013年,Hiram J. Conley等人,通過(guò)將二硫化鉬放置在可以彎折的鋼片上,對(duì)二硫化鉬施加應(yīng)力[25],并測(cè)得不同應(yīng)變下二硫化鉬對(duì)應(yīng)的PL峰值及峰位?？梢钥闯霎?dāng)應(yīng)變不斷加大的同時(shí),二硫化鉬的帶隙會(huì)發(fā)生變化,進(jìn)而可以觀察到在一定的應(yīng)變下,單層二硫化鉬的帶隙從直接半導(dǎo)體向間接半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變的過(guò)程,如圖9(a)和(b)所示。故有效對(duì)探測(cè)器溝道中二硫化鉬施加應(yīng)力,使其產(chǎn)生應(yīng)變,可有效調(diào)控二硫化鉬光電探測(cè)器的性能。

(a)單層二硫化鉬拉伸示意圖[25]

(b)在不同應(yīng)變下單層二硫化鉬測(cè)試熒光圖譜[25]

(c)褶皺二硫化鉬示意圖[26]

(d)產(chǎn)生應(yīng)變和沒有產(chǎn)生應(yīng)變二硫化鉬的熒光圖譜[26]

(e)不同應(yīng)變下二硫化鉬膜產(chǎn)生的形變量[27]

(f)不同溫度下,產(chǎn)生不同應(yīng)變下載流子遷移率的變化[28]圖9 二硫化鉬應(yīng)力調(diào)控Fig.9 The stress regulation of molybdenum disulfide

同年Andres Castellanos-Gomez等人制備了二硫化鉬褶皺器件[26]。在彈性襯底處于拉伸狀態(tài)下,將機(jī)械剝離的二硫化鉬片層結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移在其上,同時(shí)讓彈性襯底釋放應(yīng)力,使得二硫化鉬形成褶皺結(jié)構(gòu),從而使二硫化鉬由于應(yīng)力形成應(yīng)變。并且測(cè)得產(chǎn)生應(yīng)變處和非應(yīng)變處二硫化鉬對(duì)應(yīng)的PL,結(jié)果顯示二硫化鉬的熒光峰位可被有效地調(diào)節(jié)。由應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)變對(duì)二硫化鉬的帶隙也可以有效調(diào)控,如圖9(c)和(d)所示。2016年,David Lloyd等人將二硫化鉬鋪在陣列的孔上,通過(guò)調(diào)節(jié)孔內(nèi)的氣壓對(duì)二硫化鉬施加可控的形變。其可控形變與薄膜發(fā)生應(yīng)變的關(guān)系,如圖9(e)所示[27]。但是該方法的實(shí)際制備工藝上過(guò)于復(fù)雜,很難大規(guī)模推廣。2015年,Sheng Yu等人通過(guò)理論計(jì)算得到,同時(shí)對(duì)單層二硫化鉬施加x軸、y軸軸向應(yīng)力會(huì)使其產(chǎn)生應(yīng)變,可以有效對(duì)單層二硫化鉬載流子遷移率進(jìn)行調(diào)控[28]。隨著軸向應(yīng)變的加大,單層二硫化鉬的載流子遷移率加大,并且隨著溫度的降低,可見低溫下單層二硫化鉬載流子遷移率可以有效提高,其原因可能是低溫下,降低了散射對(duì)載流子遷移率的影響,如圖9(f)所示。

現(xiàn)階段對(duì)二維材料施加應(yīng)力的方式主要是通過(guò)以下兩種:第一種方式是將二維材料轉(zhuǎn)移放置在薄層的金屬片上,對(duì)金屬片進(jìn)行施壓產(chǎn)生應(yīng)變[25],從而在材料中產(chǎn)生應(yīng)力；第二種就是通過(guò)原子力探針的方式施加應(yīng)力[29],如圖10(a)和(b)所示。這兩種方式可以有效地對(duì)二維材料施加應(yīng)力。然而這些方式很難精確控制施加應(yīng)力的強(qiáng)度,如果操作不慎,很容易破壞材料。也有人嘗試將二維材料鋪在具有孔洞結(jié)構(gòu)的襯底上,通過(guò)調(diào)控孔洞的氣壓使二維材料產(chǎn)生可控的形變。但是該方法可操作性比較差,工藝難度較高,很難大規(guī)模進(jìn)行生產(chǎn)應(yīng)用。

(a)彎曲金屬片對(duì)石墨烯施加應(yīng)力[25]

(b)原子力探針對(duì)石墨烯施加應(yīng)力[29]圖10 對(duì)二維材料施加應(yīng)力方式Fig.10 The style of stressing the two dimensional materials

4 結(jié)論與展望

本文詳細(xì)介紹了力場(chǎng)及電場(chǎng)增強(qiáng)二維材料光電探測(cè)器的研究進(jìn)展,電場(chǎng)增強(qiáng)二維材料,雖然可以實(shí)現(xiàn)將溝道二硒化鎢調(diào)控成雙極性,但二硫化鉬局域的雙極性調(diào)控實(shí)現(xiàn)難度比較大。需要新工藝的開發(fā)；力場(chǎng)增強(qiáng)二維材料方面,現(xiàn)階段對(duì)二維材料施加應(yīng)力的方式很難精確控制施加應(yīng)力的強(qiáng)度,如果操作不慎,很容易破壞材料。工藝難度較高,很難大規(guī)模進(jìn)行生產(chǎn)應(yīng)用。需要新的工藝進(jìn)一步開發(fā)。綜上所述,電場(chǎng)及力場(chǎng)增強(qiáng)二維材料光電探測(cè)器取得了一定的成就進(jìn)展,還需要進(jìn)一步的發(fā)展,提高電場(chǎng)及力場(chǎng)增強(qiáng)實(shí)際應(yīng)用的可行性。