天津大学ACS AMI：二维高质量单层三角形WS2场效应晶体管

【引言】

单层二硫化钨（WS₂）作为类石墨烯二维过渡金属硫化物（TMDCs）一员，以其强轨道自旋偶合、能带分裂和非线性高敏感性等一系列独特的性质收到了广大学者的关注。单层WS₂因其较宽的直接带隙宽度、高理论电子迁移率和光致发光量子产率等特性在半导体光电子和微/纳电子器件中具有广大的应用潜力。虽然大尺寸微米级的WS₂薄膜已经被报道制备出来了，但其品质并不理想；因此成功合成出大面积高质量均匀的单层WS₂单晶片仍然是一个很大的挑战。

【成果简介】

天津大学材料科学与工程学院封伟教授课题组在二维原子晶体材料及其应用领域开展了一系列的研究工作（ACS Appl. Mater. Inter.，2016, 8, 19004；J. Mater. Chem. C，2017, 5, 5887-5896；Nanoscale，2018, DOI: 10.1039/C8NR03 091J）。近日，该团队又在ACS Applied Materials & Interfaces上发表了最新的研究成果：“Two-Dimensional High-Quality Monolayered Triangular WS₂ Flakes for Field-Effect Transistors”。本文通过控制硫源（升华硫粉）的引入时间和钨源（三氧化钨）与生长基板之间的距离，来制备合成高均匀性的单层三角形WS₂单晶片。通过透射电子显微镜和拉曼光谱来表征WS₂样品的微观形貌和结构；测试结果显示，该方法所制备的三角形WS₂单晶片（边长可达233μm）具有高质量的化学结构和均匀的单晶性。

【图文导读】

图一 高质量高均匀性单层WS₂单晶片的合成

（a）在SiO₂/Si基板上大面积合成WS₂片的示意图；（b）合成WS₂片的温度曲线；（c）（d）在SiO₂/Si基板上生长出的WS₂片的低/高倍率光学显微照片；（e）生长出的WS₂片的AFM表征图，厚度为0.77nm。

图二 合成出的WS₂样品的XPS光谱和PL光谱表征

（a）WS₂样品的XPS全谱图；（b）WS₂样品中W元素的XPS精细光谱图；（c）WS₂样品中S元素的XPS精细光谱图；（d）WS₂样品的PL光谱图。

图三 合成出的WS₂样品的拉曼光谱表征

（a）WS₂样品的拉曼光谱图；（b）三角形WS₂样品的光学显微镜照片；（c）（d）三角形WS₂样品的2LA和A_1g振动峰的拉曼mapping照片。

图四 合成出的三角形WS₂样品的透射电子显微镜（TEM）表征

（a）三角形WS₂样品的低倍TEM图；（b）三角形WS₂样品边缘的低倍TEM图；（c）三角形WS₂样品的EDS 能谱图；（d）三角形WS₂样品的高倍TEM图；（e）（f）（g）（h）选区电子衍射图，对应着图中的1、2、3和4区域。

图五 合成出的三角形WS₂单晶片的电学性能表征

（a）WS₂-FET的低倍光学显微镜照片；（b）WS₂-FET的高倍扫描电子显微镜照片；（c）WS₂-FET的转移特性曲线；（d）WS₂-FET的输出特性曲。

【小结】

该研究通过控制调控硫源（升华硫粉）的引入时间和钨源（三氧化钨）与生长基板之间的距离，成功制备合成出了大尺寸（边长可达233μm）高质量的单层三角形WS₂单晶片。基于单层三角形WS₂单晶片所制备的FET展现出了环境稳定的电学特性；自然环境下（常温常压），WS₂-FET的场效应迁移率可达37.6 cm²/Vs，开关比为10⁶；在低温低压环境下，WS₂-FET的场效应迁移率可达50.5 cm²/Vs，开关比为10⁷。该项研究结果为单层WS₂单晶片广泛应用于2D电子器件打下了良好的基础。

文章的第一作者是博士研究生岳玉琛同学，该研究受到国家重点研发项目（No. 2016YFA0202302）的资助。

文章链接：Two-Dimensional High-Quality Monolayered Triangular WS₂ Flakes for Field-Effect Transistors. (ACS Appl. Mater. Interfaces，2018，DOI: 10.1021/acsami. 8b05885).

本文由FOCCTJU供稿。

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