Nature Nanotech.:MoS2电子器件新进展!
半导体技术情报 2021-03-02

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第一作者:Stefano Ippolito

通讯作者:Paolo Samorì

通讯作者单位:斯特拉斯堡大学


主要内容


溶液相合成半导体过渡金属硫化物是发展印刷光电子学的中心和关键,但是此类器件的性能由于剥离过程导致结构缺陷、片状二维材料之间较差的电子学连接导致显著影响,有鉴于此,斯特拉斯堡大学Paolo Samorì等报道了一种新颖分子策略改善了过渡金属硫化物器件的性能,具体通过二硫化物共轭分子消除了溶液相处理合成得到的过渡金属硫化物、共价桥联相邻过渡金属硫化物薄片中存在的硫缺陷,因此显著改善了电荷传输的渗流效应。


有机二硫化物分子相互连接的过渡金属层状硫化物起到两种作用:将不同的过渡金属二硫化物薄膜相互连接,构建了有效改善电荷传输、导电性的网络结构;有机分子消除边缘缺陷位点、消除空穴缺陷,改善了可能导致能量损失的位点。


通过这种处理,场效应迁移率(μFE)、开关比(ION/IOFF)、转换时间(τs)都提高了一个数量级,分别达到10-2cm2V−1s−1, 104 and 18ms。这种有机分子修饰作用作为一种普适性策略,改善过渡金属硫化物之间的电子连接、调控物理化学性质,改善实际应用。


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图1.苯二硫酚共价修饰层间互连MS2网络


意义


Paolo Samorì指出,本工作的通过市售苯二硫酚作为修饰性分子,为打开调控过渡金属硫化物的导电性,促进过渡金属层状硫化物在特定领域中的适配性提供了一种简单有效的方法,为发展基于过渡金属硫化物的各种新型功能器件提供可行性,特别是对于柔性可穿戴器件、传感器等。而且制备器件所需硫化物墨水能够方便的修饰在任意基底上(包括塑料、纺织物、纸等基底)。


欧洲石墨烯旗舰计划(Graphene Flagship)柔性电子项目领导人Maria Smolander表示,该工作对发展基于溶液的印刷柔性电子学而言是非常重要的一步。通过有机分子的共价修饰作用,层状过渡金属硫化物的化学结构、电子结构都得到了显著的改善。


器件制备


器件制备方法。MS2(M=Mo, W, Re)胶体分散溶液滴加在修饰Au插指电极SiO2/Si基底上,滴加过程在110 ℃中加热板上,该过程中通过2-丙醇溶剂辅助蒸发除去含有的少量水蒸气。SEM、AFM表征结果显示,在25 μm2覆盖面积的沉积MS2片厚度达到~700±100 nm,MS2纳米片平均厚度均方差Rr.m.s≈95±10 nm。


随后在N2保护手套箱中进一步通过无水己烷的苯二硫酚(BDT)溶液中进行修饰处理,改善共价连接MS2。通过在室温中浸泡在BDT溶液中24 h,随后除去己烷溶剂、在90 ℃热板上加热30 min,形貌表征测试显示,在修饰处理过程中薄膜网络结构没有发生明显变化。


表征


通过XPS表征修饰苯二硫酚前后的过渡金属硫化物,发现S 2p光谱结果显示,161.5 eV对应于硫缺陷的峰(硫原子相邻的空穴位点),这种位点上的电荷局域化,当表现为硫缺陷位点,分布在相邻硫原子上的电荷增加,导致产生库仑屏蔽作用。这种缺陷位点在修饰苯二硫酚后消失,验证了该方法有效的消除了硫缺陷。


未修饰二苯硫酚MoS2薄膜的水接触角53±2°,通过二苯硫酚分子修饰,接触角增加至121±2°,表现了明显的疏水性,这是由于二苯硫酚分子中含有非极性芳香环结构,从而提高疏水性,这种特征对制备溶液相稳定工作的器件非常重要。


器件性能


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图2. 苯二硫酚修饰改善器件响应速率


作者制备了液栅薄膜晶体管(LG-TFTs),发现器件通过修饰二苯硫酚,μFE达到10-2 cm2 V-1s-1,ION/IOFF达到104,该结果比未修饰有机分子的器件性能实现了一个数量级性能的改善。同时,发现阈值电压(VTH)并未在共价修饰分子后变化,说明导电性改善的原因通过μFE,而不是通过载流子浓度(掺杂)过程通过时间分辨电流响应测试,发现器件的响应速率由170 ms提高至18 ms,说明通过相互连接形成共价结构,器件的响应速率提高了一个数量级。对比实验发现,当使用不含芳香苯环结构的脂肪链二硫醇,MoS2器件的性能仅仅体现在电气特性(I-V曲线)上有所提升。


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图3.共价桥联修饰MoS2器件的Schottky能垒


温度对器件性能的影响。在不同温度和高真空条件中测试MoS2器件的性能,发现不同温度中Au/MoS2界面上的Schottky能垒变化,发现MoS2薄膜、苯二硫酚修饰MoS2、苯硫酚修饰MoS2的Schottky能垒分别为366±1 meV、285±7meV、288±16meV。降低的Schottky能垒是通过改善Au的功函、改善Au/MoS2界面态实现的。但是由于苯二硫酚、苯硫酚的Schottky能垒非常类似,无法说明两种不同分子修饰器件的性能差异。


因此,作者通过变温电化学表征,发现250~300 K区间内MoS2、苯硫酚修饰MoS2、苯二硫酚的热驱动电流活化焓分别为512±12 meV、500±1 meV、360±10 meV,展示了苯二硫酚能够消除不同层之间的电流,从而降低了热驱动电流活化能



参考文献及原文链接

Paolo Samorì et al. Covalently interconnected transition metal dichalcogenide networks via defect engineering for high-performance electronic devices, Nat. Nanotechnol. (2021).

DOI: 10.1038/s41565-021-00857-9

https://www.nature.com/articles/s41565-021-00857-9


Phys.org网站新闻报道

https://phys.org/news/2021-02-molecular-bridges-power-electronics.html


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