新研究有助於改善二維材料性能

2020-12-06 環球創新智慧

導讀

近日，美國賓夕法尼亞州立大學團隊首次探索出新方法，改善了化學氣相沉積法合成的二維材料的性能。此外，該校另一個團隊使用摻雜工藝，將外來的錸原子摻雜到二硫化鉬薄膜晶格中，改善其性能。這兩項研究將有利於二維材料在電子、光子和存儲等領域的應用。

背景

2004年，英國曼徹斯特大學的兩位科學家安德烈·蓋姆（Andre Geim）和康斯坦丁·諾沃消洛夫（Konstantin Novoselov）成功分離出一種由單層碳原子組成的蜂窩狀結構材料——石墨烯（graphene）。

圖片來源：Tatiana Shepeleva/Shutters

伴隨著石墨烯的發現，二維材料的概念也隨即被提出。二維材料是指電子僅可在兩個維度的非納米尺度（1-100nm）上自由運動（平面運動）的材料，如納米薄膜、超晶格、量子阱。典型的二維材料包括：石墨烯、氮化硼、過渡族金屬化合物（二硫化鉬、二硫化鎢、二硒化鎢）、黑磷等。

時下，二維材料已成為熱門的前沿科技領域之一。二維材料通常是由一層或者幾層原子組成薄膜，因此非常輕薄，並具有十分優異的電氣、機械、熱學、光學特性。

如今，二維材料已經廣泛應用於各個領域，例如：自旋電子、印刷電子、柔性電子、微電子、存儲器、處理器、超透鏡、太赫茲、超級電容、太陽能電池、防偽標籤、量子點、傳感器、半導體製造、NFC、醫療等。

微機械剝離法（即從大塊的材料上剝離出一薄層）和化學氣相沉積法（將氣體前體冷凝到襯底上）是製造二維材料兩種常用方法。前一種方法可以提供更高質量的材料，但是對於製造設備來說不實用；後一種方法可以很好地應用於工業領域，但是產出的二維材料薄膜性能較低。

創新

為什麼化學氣相沉積法合成的二維材料的性能，會比理論預測的差幾個數量級？近日，美國賓夕法尼亞州立大學的團隊首次給出了新的理解。為了改善二維材料在未來的電子、光子和存儲應用中的性能，他們探索出了新方法，並將研究成果發表在最近一期的《科學報告（Scientific Reports）》雜誌上。

（圖片來源：參考資料【2】）

此外，賓夕法尼亞州立大學研究人員帶領的研究小組還進行了另外一項相關研究，他們使用摻雜工藝，將外來的原子摻雜到薄膜的晶格中，從而改變或者提升材料的特性。他們將這項研究成果發表在這周的《高級功能材料（Advanced Functional Materials）》雜誌上。

來源：Donna Deng/賓夕法尼亞州立大學

技術

賓夕法尼亞州立大學的材料科學與工程系副教授、博士研究生 Kehao Zhang 表示：「我們在藍寶石襯底上生長出了二硫化鉬，一種非常有前途的二維材料。藍寶石本身是氧化鋁。當鋁處於襯底頂層時，它會將電子傳給薄膜。這種大量的負摻雜（電子含有負電荷）限制了光致發光的強度和載流子壽命，對於所有的光電應用例如光伏和光敏元件來說，這兩個特性都很重要。」

一旦發現鋁將電子傳遞給薄膜，他們就會採用一種以某種方式切開的藍寶石襯底，接觸氧氣而不是表面的鋁。這樣就會將光致發光的強度和載流子壽命提高百倍。

第二篇論文的領導作者 Zhang 表示：「人們之前嘗試過摻雜，但是由於與藍寶石襯底之間的交互遮蔽了摻雜效應，他們無法對於摻雜的影響進行去卷積。」

採用第一篇論文中的氧端基襯底表面，團隊通過在二硫化鉬二維薄膜中摻雜了錸原子，消除來自襯底的遮蔽效應。

Zhang 表示：「我們對於材料上的錸原子摻雜效應進行了去卷積。通過這種襯底，我們可以達到一個原子百分率，這是迄今為止報導的最高摻雜濃度。一個出乎意料的好處就是，將錸摻雜到晶格中，鈍化了25%的硫空位。對於二維材料來說，硫空位是一個存在已久的問題。」

價值

摻雜解決了兩個問題：對於電晶體和傳感器等應用來說，它使得材料更加導電；同時，它通過改善所謂的「硫空位」缺陷，提高了材料的質量。團隊預測，更高的錸摻雜將完全消除「硫空位」帶來的影響。

Zhang 表示：「我們整個工作的目標就是推進這種材料達到技術上的相關水平，這意味著讓它可應用於工業。」

關鍵字

二維材料、電晶體、傳感器

參考資料

【1】http://news.psu.edu/story/507863/2018/02/28/fine-tuning-two-dimensional-materials

【2】Kehao Zhang, Nicholas J. Borys, Brian M. Bersch, Ganesh R. Bhimanapati, Ke Xu, Baoming Wang, Ke Wang, Michael Labella, Teague A. Williams, Md Amanul. Haque, Edward S. Barnard, Susan Fullerton-Shirey, P. James Schuck, Joshua A. Robinson. Deconvoluting the Photonic and Electronic Response of 2D Materials: The Case of MoS2. Scientific Reports, 2017; 7 (1) DOI: 10.1038/s41598-017-16970-6

【3】Kehao Zhang, Brian M. Bersch, Jaydeep Joshi, Rafik Addou, Christopher R. Cormier, Chenxi Zhang, Ke Xu, Natalie C. Briggs, Ke Wang, Shruti Subramanian, Kyeongjae Cho, Susan Fullerton-Shirey, Robert M. Wallace, Patrick M. Vora, Joshua A. Robinson. Tuning the Electronic and Photonic Properties of Monolayer MoS2 via In Situ Rhenium Substitutional Doping. Advanced Functional Materials, 2018; 1706950 DOI: 10.1002/adfm.201706950

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