半導體所超晶格室在二維WS2的光電性質(zhì)研究中獲重要發(fā)現

　　最近，中科院半導體所超晶格國家重點(diǎn)實(shí)驗室的博士生霍能杰、博士后楊圣雪等，在李京波研究員、魏鐘鳴研究員、李樹(shù)深院士和夏建白院士的研究團隊中，在二維納米材料WS2的光電基礎研究中取得重要進(jìn)展，首次發(fā)現二維WS2場(chǎng)效應管具有超高的光敏和氣敏特性，有望應用于光開(kāi)關(guān)、光電探測和氣體探測等領(lǐng)域。相關(guān)成果發(fā)表在2014年6月9日的Nature子刊系列《ScientificReports》( ScientificReports,4,5209 ，2014)上，論文鏈接：http://www.nature.com/srep/2014/140609/srep05209/full/srep05209.html

　　近年來(lái)，石墨烯由于具有優(yōu)良的電學(xué)光學(xué)等性能引起了極大的研究興趣，但是零帶隙的特性限制了它在納米光電子領(lǐng)域的應用。作為石墨烯的補充，具有一定帶隙的過(guò)渡金屬硫族化物的二維材料(如 WSe2 ，MoS2 等)擁有奇特的物理性質(zhì)而成為納米科學(xué)的研究熱點(diǎn)。此類(lèi)二維材料由厚度僅為數個(gè)原子的二維單層堆積而成，擁有適當的帶隙和較大的比表面積，可以作為非常有前景的通道材料應用于場(chǎng)效應晶體管，對可見(jiàn)光的快速響應可應用于光開(kāi)關(guān)和光探測器領(lǐng)域，對氣體的超敏感性也可應用于氣體探測中。制備低維二維材料的常用方法簡(jiǎn)單而方便如微機械剝離法和化學(xué)氣相沉積( CVD)法，不僅適用于實(shí)驗室基礎研究也可實(shí)現大規模生產(chǎn)以進(jìn)行復雜電子器件的設計。近幾年，以WSe2和MoS2為代表的低維二維材料從理論和實(shí)驗上在納米光電子領(lǐng)域獲得了廣泛研究并取得重要進(jìn)展，探索新的二維材料以及其在光電子和氣體敏感方面的物理性能已成為當今世界納米研究的潮流。

　　在這種背景下，半導體所李京波小組設計出了基于二維薄層WS2的場(chǎng)效應管和光電探測器，對場(chǎng)效應、光敏、氣敏性能及它們之間相互影響做了全面系統的研究。作為典型的過(guò)渡金屬硫族化物二維半導體，WS2具有優(yōu)良的力光電磁等性質(zhì)。我們發(fā)現WS2表現出n-type半導體行為且具有較大的電子遷移率(12cm2/Vs)，對強度較弱的633nm激光展現出快速高效穩定的響應，在空氣中響應時(shí)間小于20ms且光敏度達到了5.7A/W。我們還發(fā)現，當WS2與不同氣體接觸時(shí)，在其表面和物理吸附的氣體分子之間會(huì )發(fā)生電荷轉移，氧化性氣體(O2 等)消耗電子，還原性氣體(ethanol，NH3等)提供電子，從而導致其電導率的改變，實(shí)現了氣體種類(lèi)或濃度變化以電學(xué)信號的形式輸出。進(jìn)一步研究表明，氣體分子對WS2的光電性能會(huì )產(chǎn)生巨大的影響。在NH3氛圍中，WS2光探測器的光敏度和外量子效率最大分別可達884A/Wand1.7×105%。研究結果表明，二維薄層WS2在高效的光電探測器，光開(kāi)關(guān)，氣體探測，場(chǎng)效應晶體管及集成電子電路中具有巨大的應用前景。

　　該工作得到了國家基礎研究項目和國家自然科學(xué)基金的支持。