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半导体所等在二维材料范德华异质结的层间相互作用方面取得重要进展

2017-11-03   

 

 

将多种二维材料垂直堆垛可形成垂直范德华异质结(vdWHs),其二维材料之间通过范德华相互作用结合在一起,不存在晶格失配,合成方法简单。这种异质结通常具有优良的物理性质,同时为操控原子界面处载流子、激子、光子及声子等从而实现独特电子和光子学器件的设计提供了可能。单层石墨烯(1LG)和过渡金属硫族化合物(TMDs)是vdWHs中两种重要的组成材料。石墨烯是零带隙材料,不适合作为晶体管的沟道材料,而TMDs材料的载流子迁移率不够高,不适合应用于高速电子器件中。但是,TMD/石墨烯的异质结综合了两种材料的优点,已经被应用于各种高效器件中,比如场效应隧穿晶体管,逻辑晶体管、光伏以及记忆器件中。到目前为止,单层和多层石墨烯通常作为电极被广泛应用于vdWHs器件中,它能避免二维材料与金属直接接触,减少二维材料中的缺陷,从而有效减小肖特基势垒和接触电阻。高质量的二维vdWHs界面可以明显提高相应异质结的性能,而界面的范德瓦尔斯耦合主要取决于不同二维材料间的层间距离,堆垛角度,堆垛次序,因此研究vdWHs的界面相互作用对于实现高性能二维材料器件具有重要作用。

表征材料晶格振动性质的拉曼光谱被广泛应用于表征二维材料的晶体质量、结构、掺杂、应变、无序性以及化学修饰等性质,这些性质往往反映在材料的层内振动模中。但是,如果要考察多层材料的层间耦合作用通常需要研究其超低频的层间拉曼振动模式。近年来,谭平恒研究员课题组已经用超低频拉曼光谱鉴定了多种低维纳米材料和层状材料的各种奇特的物理性质。

最近,谭平恒研究组在王宽诚率先人才计划卢嘉锡国际团队等项目的大力支持下,与南京工业大学的李海教授、新加坡南洋理工大学的张华教授和熊启华教授合作,利用超低频拉曼技术对MoS2/石墨烯的异质结材料的界面耦合作用进行了系统研究,并取得重要进展。他们发现vdWHs的界面耦合将在超低频波段(小于2500px-1)产生新的晶格振动­模式,即新的层间呼吸模(LB),其峰位对异质结两种组成成分MoS2和石墨烯的层数都非常敏感,可以有效鉴定界面耦合作用以及界面质量。LB模的峰位可用线性链模型进行完美拟合,并得到界面耦合的力学常数为60×1018 N/m3,小于多层MoS2的层间呼吸耦合常数但是大于石墨烯的力学常数的1/2,与两者均可相比拟。同时他们还比较了MoS2/石墨烯以及石墨烯/MoS2两种异质结以及不同堆垛角度异质结的LB模式,发现层间耦合对堆垛顺序以及堆垛角度均不敏感。

该项研究成果于近期在线发表在美国化学会学术刊物ACS Nano上(http://dx.doi.org/10.1021/acsnano.7b07015)。李海教授和吴江滨博士为该论文的共同第一作者,张华教授和谭平恒研究员为该论文的共同通信作者。这项成果对于理解二维异质结材料的优异物理性质并且调控相应的异质结电子学和光子学器件的性能具有重要意义,并可以推广到其它由不同二维晶体材料堆垛而成的二维异质结。

双层石墨烯和双层MoS2组成的异质结及其低频拉曼光谱

 

 

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