Er掺杂WS2的制备及光电特性研究

of WS2 ( Er) films increase by an order of magnitude compared to pristine WS2 , and the central wavelength is significantly redshifted. Fluorescence tests show that the fluorescence characteristics of WS2 grown on Si substrates show a significant charge
响材料的光电性能。 本文利用碱金属卤盐辅助 CVD 法直接在 p 型 Si(111) 衬底上生长了毫米尺度和原子层厚的
WS2 。 通过在钨源中掺入饱和 ErCl3 粉末,得到 Er 掺杂 WS2 薄膜( WS2 ( Er) ) 。 结合光学显微镜、扫描电子显微镜、原
子力显微镜、X 射线光电子能谱、能量色散 X 射线光谱、光致发光和拉曼光谱等技术对材料进行表征,结果表明,相比
质量的 2D-TMDCs 材料的工艺值得进一步研究。
根据热力学第二定律,以 CVD 法制备的二维材料中不可避免地会产生大量的原子空位缺陷 [23] 。 因此,
CVD 制备出的二维材料的性能与理论预测之间存在巨大差距 [24] 。 针对这个问题,Zhao 等 [25] 将与 W 元素原
子序数临近的稀土元素 Er 掺杂到 CVD 法生长的 WS2 二维材料中,利用 Er 元素与 W 元素原子序数临近,从
4. College of Optoelectronic Engineering, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China)
Abstract:Chemical vapor deposition ( CVD) is an effective method for the growth of large scale two-dimensional materials.
(1. 重庆理工大学理学院,重庆 400054;2. 中国科学院重庆绿色智能技术研究院,重庆 400714;
3. 中国科学院大学重庆学院,重庆 400714;4. 重庆邮电大学光电工程学院,重庆 400065)
摘要:化学气相沉积( CVD) 是大尺度二维材料生长的有效方法,但 CVD 过程不可避免地会产生高密度的空位缺陷,影
纯 WS2 ,WS2 ( Er) 薄膜的荧光强度获得数量级增长,且中心波长大幅红移。 荧光测试表明,相比 SiO2 衬底上的 WS2 ,在
Si 衬底上生长的 WS2 的荧光特性出现了明显的电荷转移效应。 基于 SiO2 衬底上的 WS2 和 WS2 ( Er) 场效应晶体管器
件的光电测试结果表明,WS2 ( Er) 场效应晶体管的光响应度为 4. 015 A / W,外量子效率为 784% ,均是同等条件下纯
的光电特性已经成为当前相关领域的研究热点 [6-7] 。 2D-TMDCs 制备方法通常有机械剥离法 [8] 、液相剥离
法 [9] 、水热合成法 [10] 、脉冲激光沉积硫化法 [11] 、化学气相沉积( chemical vapor deposition, CVD) 法 [12] 等,其
中 CVD 法因在制备大尺寸、可控性、高质量 2D-TMDCs 方面具有明显的优势而备受关注,已经成为当前制备
人 工 晶 体 学 报
第 52 卷 第 5 期
2023 年 5 月
JOURNAL
OF
SYNTHETIC
CRYSTALS
Vol. 52 No. 5
May,2023
Er 掺杂 WS2 的制备及光电特性研究
曹 晟1,2 ,张 锋1 ,刘绍祥2,3 ,陈思凯2,4 ,赵 杨2,4 ,石 轩2,3 ,赵洪泉2,3
WS2 器件的 2 000 倍以上。 本工作对稀土掺相沉积;二硫化钨;铒掺杂;单晶硅;荧光特性;光电特性
中图分类号:O734;O484
文献标志码:A
文章编号:1000-985X(2023)05-0849-08
Preparation and Photoelectric Properties of Er-Doped WS2
CVD 法制备 2D-TMDCs 时,现有的研究主要集中在具有 SiO2 层的 Si 衬底上,在 Si 衬底上直接制备2D-TMDCs
材料的报道较少 [20-22] 。 在制造器件时,将 2D 材料直接沉积到衬底上有助于避免对材料的污染和损坏 [19] 。
不同种类的衬底也为获得各种物理特性提供了良好的平台。 因此,利用 CVD 法在 Si 衬底上生长大面积、高
2. Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology, Chinese Academy of Sciences, Chongqing 400714, China;
3. Chongqing School, University of Chinese Academy of Sciences, Chongqing 400714, China;
( cstc2019jcyj-msxmX0387) ;重庆英才项目( CQYC202002064) ;中科院青促会项目
作者简介:曹 晟(1998—) ,男,重庆市人,硕士研究生。 E-mail:1016549491@ qq. com
通信作者:赵洪泉,博士,研究员。 E-mail:hqzhao@ cigit. ac. cn
the external quantum efficiency is 784% , both of which are more than 2 000 times that of pristine WS2 devices under the same
conditions. This work has significance for research of rare earth doping in 2D materials.
Key words:CVD; WS2 ; Er doping; single-crystal silicon; fluorescent property; photoelectric property
收稿日期:2023-02-13
基金项目:国家 自 然 科 学 基 金 ( 61775214 ) ; 重 庆 市 自 然 科 学 基 金 重 点 项 目 ( cstc2019jcyj-zdxm0098 ) ; 重 庆 市 自 然 科 学 基 金 面 上 项 目
2D-TMDCs 等二维材料的主要方法 [13] 。 2015 年,Gong 等 [14] 通过 CVD 法合成毫米级尺寸的单层 MoS2 。 随
后,Yang 等 [15] 利用金属钼箔作为前驱物在钠钙玻璃上批量合成了 6 英寸(1 英寸 = 2. 54 cm) 的单层 MoS2 。
最近,Shi 等 [16] 又 报 道 了 以 WO3 悬 浮 液 作 为 前 驱 物 的 CVD 法 制 备 了 大 面 积 单 层 WS2 。 这 些 工 作 为
时存在 S 和 W 空位缺陷,甚至 S 缺陷密度要高于 W 缺陷密度,但 W 缺陷对 WS2 二维材料能带结构和性能的
影响却远高于 S 缺陷 [26] 。 因此,如何有效解决 WS2 二维材料在 CVD 生长过程中的 W 缺陷问题,是获得高性
CAO Sheng1,2 , ZHANG Feng1 , LIU Shaoxiang2,3 , CHEN Sikai2,4 , ZHAO Yang2,4 ,
SHI Xuan2,3 , ZHAO Hongquan2,3
(1. College of Science, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China;
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新型薄膜材料
人 工 晶 体 学 报
第 52 卷
0 引 言
原子级厚度的单层或少层二维( two dimensional, 2D) 材料因其独特的物理特性而被寄希望成为下一代
光电子器件和集成电路的重要组成部分 [1-4] 。 二维过渡金属硫族化合物( transition mental dichacogenides,
(111) substrates using an alkali metal halide-assisted CVD method. Er-doped WS2 films ( WS2 ( Er) ) were achieved by
adding saturated ErCl3 powders in the tungsten sources. Optical microscopy, scanning electron microscopy, atomic force
而原子半径接近的特点,避免了因 Er 离子的引入在 WS2 二维材料晶格产生新的晶格畸变。 同时利用 Er 离
子对 W 离子空位的占据,有效地减少了 WS2 晶格中的 W 离子空位,并利用 Er 离子丰富的 4f 能级,使 WS2 二
维材料的光学与电学性能参数得到数量级的提高。 已有的研究表明,虽然 CVD 法生长的 WS2 二维材料中同
2D-TMDCs材料面向实际应用奠定了重要基础。 不仅如此,利用 CVD 法通过控制生长条件和相关参数( 如金
属前驱体、生长温度、载气成分与流量、升温速率等) 在调控 2D-TMDCs 材料形状、形貌、缺陷进而调控其半导
体特性等方面亦具有明显的优势 [17-19] 。 此外,作为生长 2D-TMDCs 材料的载体,衬底的选择至关重要。 用
transfer effect compared to that of WS2 on SiO2 substrates. The photoelectric test results of WS2 and WS2 ( Er) field effect
transistors based on SiO2 substrate show that the optical responsiveness of WS2 (Er) field effect transistors is 4. 015 A / W, and
However, high density of vacancy defects are inevitably generated in the CVD process, which affects the photoelectric
properties of the materials. In this work, millimeter-scale and atomic-thick WS2 membranes were directly grown on p-type Si
microscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, energy dispersive X-ray spectroscopy, photoluminescence and Raman
spectroscopy techniques were used to characterize the materials systematically. The results show that the fluorescence intensity
TMDCs) 晶体是一类典型的二维半导体材料,拥有独特的平面蜂窝状结构和较弱的范德瓦耳斯层间耦合作
用,其带隙宽度覆盖可见到近红外范围(1. 60 ~ 2. 05 eV) ,因此在微纳光电子器件、光量子器件和传感器等
方面极具应用前景 [1,5-6] 。 制备高质量、大尺寸 2D-TMDCs 并调控其能隙、缺陷态激子、自旋能谷耦合及相应