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InfoMat 如何利用p型二维材料WSe2 制备半导体器件？逄金波、刘宏最新综述推荐！

原创 济南大学前沿交叉 纳米人 2020-03-05 10:18

 

核心内容：

1. 详细介绍了大面积全膜和单晶二硒化钨的材料制备及光电器件的应用探究最新研究进展。介绍了二硒化钨结构、类型、形貌以及合成路线，然后，讨论了电学、光学、电化学等性质。

2. 重点论述了半导体在电子器件方面的应用，包含场效应晶体管，气体传感器，光电探测器，压力传感器，压电传感器，CMOS器件，数字逻辑器件，反向器，发光二极管应用等。

3. 探讨了物理化学(包括热力学和动力学)、材料科学、计算机科学和其他跨领域学科的结合等在优化成功合成大面积可控生长的WSe₂方面的贡献，并在器件应用方面取得丰硕成果，并对后续二维材料及异质结的总体思路和方向进行了展望。 

 

WSe₂半导体

二维过渡金属硫属化合物（TMDCs）在光电子器件和能源器件等领域具有广阔的应用前景，尤其是以二硫化钼、二硒化钼、二硫化钨和二硒化钨等为代表的一类半导体材料，表现出优良的光电性能，其自身还兼具独特的柔性，可以用制备下一代柔性的可穿戴设备。自2004年Geim小组首次报道了单原子层石墨烯以来，有关二维材料的研究迅速席卷了整个化学、材料和物理等研究领域。二硒化钨（WSe₂）属于过渡金属二硒化物，与石墨烯相似，WSe₂具有层状结构的特征，两个相邻层之间通过范德华相互作用力结合，这个作用力比较弱，可以通过胶带撕扯的方法克服，从而获得减薄的二硒化钨，这就是所谓的机械剥离法。有以下几种获得高质量WSe₂的方法，例如机械剥离法、水热法和气相沉积法。

 

WSe₂体材料是一种具有间接带隙（1.25 eV）的半导体，单层二硒化钨的直接带隙宽度在1.65 eV 左右，不仅达到了大部分电子和光电器件的材料要求，而且单层二硒化钨还是少见的同时具有n-型和p-型半导体特性的TMDCs半导体材料。WSe₂还有其他形貌，例如纳米管，纳米棒和纳米线。目前，p型WSe₂半导体的异质结构器件研究热点，涵盖了场效应晶体管、光电探测器、气体传感器、压电传感器和光伏太阳能电池。由于其独特的电子、光学和能带性质，WSe₂由于与钯材料接触时表现出p型电荷载流子的导电性，而得到了越来越多的研究关注。 

 

综述简介

济南大学逄金波、刘宏课题组文章简介了其作为场效应晶体管、气体传感器、光电探测器、压力传感器、压电传感器、CMOS器件，逻辑反相器、整流器、LED应用的基础元件的角色。各种二维WSe₂及类似的二维材料的光电探测器性能，列到了一张表格上。物理化学(包括热力学和动力学)、材料科学、计算机科学和其他跨领域学科的结合有助于优化成功合成大面积可控生长的WSe₂，并在器件应用方面取得丰硕成果。未来，WSe₂基的设备可以集成到可穿戴电子设备和物联网中。

图1. WSe₂的结构、性质和应用。介绍了基本设备，包括光电探测器、气体传感器和场效应晶体管。

 

要点1：WSe₂的基本原理

图2. 过渡金属硫属化合物WSe₂的晶体结构，MX₂. M 是过渡金属，X 是氧族元素原子。

 

图3.  WSe₂的电子结构。

 

要点2：基于WSe₂的电子器件

图4. WSe₂器件制备示意图。

 

要点3：WSe₂的合成

图5.  WSe₂的CVD法合成。

图6. 金属-有机化学气相沉积法WSe₂的合成。

 

要点4：WSe₂材料的器件性能

图7. 以VO₂为漏极介电质的WSe₂沟道的晶体管性能。

 

小结与展望

本文对WSe₂材料的基础性质及电子器件上的应用进行调研。相信会对寻求二硒化钨薄膜材料在电子与光电子器件、传感、逻辑器件及压电压光等信息领域的老师和学生，具有重要的启发意义。

 

在这项工作中，对二维WSe₂的研究提出了一个广泛而全面的调研。首先，作者介绍了WSe₂的基本原理，包括它的晶体结构、电子结构、带隙、电子性质和光学性质。更重要的是，讨论了单层的基于WSe₂的电子器件，如传感器、场效应晶体管和光电探测器。最终，复杂的器件结构被用于做概念验证，如压电电子学、压电光电学、存储器、逻辑逆变器和发光二极管。

 

目前，仍有机会在四个领域进行研究。首先，应该不断优化WSe₂的合成策略。第二，利用掺杂策略或缺陷工程可以丰富电荷输运行为的调控。第三，应该考虑高质量WSe₂材料的器件阵列和系统集成。最后，WSe₂的基本性质，如激子、旋转运输、能谷电子输运随着先进表征技术的发展，已成为研究热点。这些表征技术包括扫描隧道显微镜、测试电流的原子力显微镜、飞秒时间分辨-泵浦-探测光谱学、电学探针台与强磁场(霍尔测量)、磁谱以及施加偏压的原位透射电镜。利用电学控制或应变工程对带电激子进行控制。

 

总的来说，WSe₂的研究仍有很多机会，因此希望来自物理、化学和工程领域的研究团体继续为理解这种重要的材料做出贡献。物理化学(包括热力学和动力学)、材料科学、计算机科学和其他交叉学科的协同作用可能会成功合成大面积可控生长的二硒化钨，并在器件应用方面取得丰硕成果。

 

参考文献

Cheng Q, et al. WSe₂ 2D p-typesemiconductor-based electronic devices for information technology: design,preparation, and applications. InfoMat, 2020

DOI: 10.1002/inf2.12093   

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/inf2.12093

 

作者简介

第一作者程绮琳，济南大学前沿交叉科学研究院，硕士研究生。研究方向为二维材料WSe₂的大面积精确合成及其在电子、光电子上的应用探索。导师为：王金刚教授、逄金波博士。

 

共同第一作者、通讯作者：逄金波，济南大学前沿交叉科学研究院，副研究员，硕士生导师。主要从事石墨烯及过渡金属化合物等二维材料的可控合成及其在信息领域的应用探索。以项目负责人承担国家自然科学基金、山东省自然科学基金等多项课题。在包括 Adv. Energy Mater., ACS Nano， Chem. Soc.Rev.等学术期刊上发表 SCI 文章30 余篇，被引 1000余 次，H 因子 17。

 

期刊介绍

InfoMat是Wiley 首次和中国双一流高校电子科技大学合作，共同出版的开放获取式期刊。InfoMat的主编为李言荣教授，该期刊的定位旨在达到国际最有影响力的期刊行列。InfoMat是一本国际性的高质量期刊，涉猎范围广泛，属于材料科学，电子电气和电信类别。但主要研究领域是信息材料，关注于具有独特电学，光学和磁学特性的新材料，以及其在信息技术发展中的应用。期刊2020年1月在线发表的文章涵盖了二维材料（12篇）、钙钛矿（7篇）、能源（电池5篇、储能1篇、电容器2篇、供能系统1篇）、柔性传感器（8篇）、碳纳米材料（2篇）、纳米发电机（1篇）及其他（8篇）等领域。InfoMat旨在发布实验和理论方法，处理有可能应用于当代或即将到来的信息技术的新材料问题，为在各科学领域工作的研究人员提供高质量的学术平台。

阅读期刊文章：https://onlinelibrary.wiley.com/journal/25673165

 

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