2023-06-29 16:45:11, Dr. Yu QUANTUM量子科学仪器贸易(北京)有限公司
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期刊:ACS Nano
IF:18.027
文章链接: https://doi.org/10.1021/acsnano.1c09131
引言
2021年,意大利比萨大学Ciampalini教授课题组利用小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3 制备出基于MoS2-石墨烯异质结构的多场效应管器件,在场效应管器件中直接测量了MoS2-石墨烯异质结构的电输运特性。通过比较MoS2的跨导曲线和石墨烯的电流电压特性,发现在n通道的跨导输运被抑制,这一现象明显不同于传统对场效应的认知。借助第一性原理计算发现这一独特的输运抑制现象与硫空位相关。
本文中所使用的小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3无需掩膜版,可在光刻胶上直接曝光绘出所要的图案。设备采用集成化设计,全自动控制,可靠性高,操作简便,同时其还具备结构紧凑(70cm X 70cm X 70cm)、高直写速度,高分辨率(XY:<1 μm)等特点。灵活多变的前沿光刻技术,有助于MoS2-石墨烯异质结构的多场效应管器件的研发。
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图文导读
图1. 多场效应管器件结构。(a)通过化学气相沉积法合成的石墨烯。(b)同样用气相沉积法合成的MoS2。(c)多场效应管器件的光学照片。右侧示意图中AB为石墨烯作为接触点的MoS2场效应管,CD为MoS2-石墨烯异质结构场效应管。
图2. MoS2-石墨烯异质结构的拉曼测量结果。(a)MoS2被转移到石墨烯前和转移后的MoS2拉曼测量结果。(b)MoS2拉曼光谱中A1g峰与E2g峰的变化关系。图中红色实线代表MoS2无应变时A1g峰与E2g峰间的变化关系,蓝色实线代表无掺杂时A1g峰随E2g峰的变化。(c)在MoS2-石墨烯异质结构中A1g峰的图谱。(d)石墨烯未被MoS2覆盖和被覆盖后的拉曼结果。(e)石墨烯拉曼光谱中2D峰与G峰间的关系图。图中红色实线代表无应变时2D峰与G峰间的变化关系,蓝色实线代表无掺杂时2D峰随着G峰的变化。(f)在MoS2-石墨烯异质结构中2D峰的图谱。
图3. MoS2-石墨烯异质结构的光致萤光光谱(PL)测量结果。(a)有石墨烯时MoS2的PL光谱(橘色),无石墨烯时MoS2的PL光谱(蓝色)。通过高斯拟合,获得A和B激子吸收峰的位置。(b)MoS2-石墨烯异质结构中A激子吸收峰的强度。(c)A激子吸收峰在MoS2-石墨烯异质结构中的半高宽图谱。
图4. MoS2的输运特性。(a)室温条件下,MoS2在0-80V的VG范围内的I-V特性曲线。(b)转移特性显示出强烈的迟滞。红色箭头表面扫频方向,红色虚线为场效应移动的预计值。其中插图为测量器件的光学照片,电极用黑色圆点表示。
图5. MoS2覆盖层对石墨烯的电子输运的影响。(a,b)石墨烯上不同MoS2覆盖面积的器件光学照片。(c-g)石墨烯上不同MoS2覆盖面积的转移特性,黑色覆盖率0%,橘色48%,蓝色 55%,黄色69%,紫色79%。
图6. 硫空位对场效应的影响。(a)MoS2-石墨烯界面的能带结构和态密度。(b)不同门电压条件下,场效应所导致的电子和空位的分布。蓝色表示电子,红色表示空位。(c,d)在不同门电压条件下,MoS2-石墨烯界面的侧视图以及硫空位(绿色)的位置。
图7. 不同硫空位密度条件下,石墨烯导电性能计算值。
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结论
Ciampalini教授课题组首先制备了MoS2-石墨烯二维材料的异质结构,在此基础上使用小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3制备了多场效应管器件。通过对多场效应管器件的直接测量,发现了MoS2覆盖层对石墨烯电输运性能的独特抑制作用。为了更好地理解这一独特电输运现象,采用第一性原理的方法,计算了硫空位对石墨烯导电性能的影响。该工作为后续的石墨烯场效应电学及光电器件的研究和应用打下良好的基础。同时,从文中也可以看出,课题组最主要的优势是能够制备出基于MoS2-石墨烯异质结构的多场效应管器件。在制备该器件过程中,需要及时修改相应的参数,得到优化的实验结果,十分依赖灵活多变的光刻手段,小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3可以任意调整光刻图形,对二维材料进行精准套刻,帮助用户快速实现器件制备,助力电输运研究。
小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3
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