二硫化钼薄膜及其光电器件的制备和性质研究

二硫化钼薄膜及其光电器件的制备和性质研究以石墨烯、二硫化钼（MoS₂）为代表的二维层状纳米材料,由于其具有良好的稳定性、丰富的结构及优异的性质,在电子、光电器件和传感器等众多领域展现出巨大的应用前景,逐渐成为了物理、化学、材料科学等诸多领域的研究重点。

不同于石墨烯的零带隙,MoS₂纳米材料具有可调控带隙。

MoS₂独特的带隙特点使其在各类功能器件领域具有广阔的应用前景。

本论文利用机械剥离法及化学气相沉积法（CVD）制备了高质量少层
MoS₂薄膜及MoS₂/WS₂异质结复合材料,并
对材料的形貌、组分及光学性质进行表征分析。

成功制备了基于不同层数的
MoS₂薄膜及其异质结构的背栅场效应晶体管,并将器件应用于高灵
敏光电探测器及低浓度微量葡萄糖生物传感器中。

主要研究内容如下:（1）开展了少层MoS₂薄膜的制备及光学性质方面的研究。

采用CVD及机械剥离法制备出高质量的少层MoS₂薄膜,并对材
料的晶体结构、形貌、厚度及光学性质进行表征。

根据CVD法制备的样品在生长过程中不同时间点的形貌对比分析,讨论了MoS₂薄膜材料的生长机理。

在S-Mo-S成键的过程中,不同晶面的生长速度不同,导致六边形的
MoS₂晶体逐渐向三个方向生长,最终呈现出三角片状的薄膜结构。

研究还发现,其它少层TMDs薄膜材料在生长过程中具有相同的形态演变规律。

本部分研究为后续MoS₂异质结的生长及少层MoS₂薄膜在功能器件中的应用研究奠定了基础。

（2）开展了少层MoS₂薄膜FET的制备及电学性质方面的研究。

制备了基于不同层数MoS₂薄膜的背栅场效应晶体管,并对器件
的电学性质进行对比分析。

器件的输出特性曲线反应出栅压对器件具有良好的控制作用,且源、漏电极与MoS₂沟道层之间形成了良好的欧姆接触,利于载流子的注入。

器件的转移特性曲线表明,0.5V漏压下,双层至五层
MoS₂薄膜场效应晶体管的载流子迁移率分别为31.7,12.8,4.1及3.2 cm²/V·s。

（3）开展了MoS₂薄膜FET光电性质方面的研究。

考虑到入射光线由上至下照射到器件顶部,故设计并制备了基于少层MoS₂薄膜的背栅光电晶体管。

通过对比实验讨论了光照功率及栅压对器件光电性能的影响,实验结果表明,固定栅压下,随着光照功率的增加,光电流及光响应度逐渐增大;在相同光照功率下,所加栅压越大,就会获得越大的光响应度。

（4）开展了MoS₂异质结FET的制备及光电性质研究。

首先利用CVD法制备大面积高质量的MoS₂/WS₂异质结构,并对异质结的形貌、组分及光学性质进行表征分析。

研究中,我们详细讨论了异质结样品不同区域的形貌差异及各区域间的形态演变过程,并通过异质结与单一
MoS₂薄膜材料光学性质的对比分析,揭示了异质结交界面处载流子的运动情况。

随后研究了MoS₂异质结FET的光电性能,并与单一
MoS₂器件的光电性能进行对比分析。

20 mW光照
下,MoS₂/WS₂异质结光电晶体管的光响应度增大50倍。

而复合高功函数MoO₃材料后所形成的
MoS₂/MoO₃异质结器件的光响应度则提升近100倍。

研究结果表明,MoS₂异质结构能够有效的增强器件的光电性能,
其中高功函数纳米材料可通过异质结界面处的电荷转移过程诱导产生内建电场,进而有效地促进MoS₂中光生电子空穴对分离,从而实现对
MoS₂薄膜光电晶体管良好的光电调制效应。

由能带理论分析可知,器件光电性能提升的主要原因是由于异质结中两种材料能级位置的差异引起交界面处有效的光生电子空穴对分离导致的。

光生少子被异质结交界面处的缺陷捕获,而光生多子则参与导电,有效的提升器件的光电性能。

（5）开展了MoS₂薄膜场效应晶体管葡萄糖生物传感性能的研究。

研究结果表明,相同栅压及漏压下,随着葡萄糖浓度的增加,器件源漏电流增加,由此可实现对未知浓度葡萄糖溶液的检测。

研究中,我们首次利用
MoS₂薄膜FET实现了对极低浓度葡萄糖溶液的超灵敏检测。

该葡萄糖传感器的灵敏度高达269.71mA/mM,检测限低至300 nM,线性范围为300 nM³0 mM。

此外,其还具有响应时间短（<1s）,稳定性好,可实现微量检测等优势。

本部分研究表明少层MoS₂基FET在新型功能器件应用领域具有广阔的发展空间。