WS2納米管的電學和光電特性及其納米器件研究

陳清

納米器件物理與化學教育部重點實驗室，北京大學信息科學技術學院電子學系

　　與石墨烯類似，硫化鉬和硫化鎢等無機材料也具有層狀結構，層間以范德瓦爾斯力相連，片層表面沒有懸掛鍵，特別是它們本身具有半導體特性，還能吸收可見光。上述優異特性使它們成為研究熱點^[1,2] 。塊體硫化鎢具有與太陽光能量相當的帶隙和很高的光吸收系數，在太陽能電池領域有很重要的應用。1992 年R. Tenne 教授首次發現硫化鎢納米管^[3] ，之后該納米管的機械、潤滑性和光電特性都得到了深入的研究^[4] 。但到目前，對硫化鎢納米管電學的研究還很有限[5]。我們首次系統研究了單根硫化鎢納米管的電學特性和光電特性^[6,7] 。主要結果如下。

　　我們首次系統研究了單根硫化鎢納米管的電學特性。單根硫化鎢納米管器件的I-V 曲線表現為非對稱和非線性，表明接觸處存在勢壘。利用金屬-半導體-金屬(MSM)模型[8]對測量結果進行擬合，得到了載流子濃度、遷移率、電導率和源漏接觸的勢壘高度等重要電學參數。發現單根硫化鎢納米管的遷移率與塊體中的相當，而比之前報道的納米管的結果高幾個數量級。

　　我們進一步研究了水汽和氧氣吸附對電學特性的影響。發現在空氣中硫化鎢納米管的電導率和遷移率比在真空中小。分別在水汽、干燥的氧氣和干燥的氮氣環境中測量單根硫化鎢納米管的電學特性。發現水汽的吸附會降低納米管的載流子遷移率和電導率。原因可能是水分子的吸附會形成載流子束縛中心或庫侖散射中心。氧氣也有類似的作用，但是對納米管的影響比水汽小。氮氣不影響納米管的電學特性。對樣品進行抽真空或在110 度烘烤的干燥處理，可以有效地使吸附在納米管表面的水汽脫附，恢復單根硫化鎢納米管的電學特性。

　　還研究了硫化鎢納米管的光電特性。該納米管制成的光電探測器對633 納米和785 納米的光有快的響應(響應時間至少在200 微米以內)，大的開關比和很高的外量子效率。

參考文獻:

　　(1) Z. Y. Yin, H. Li, L. Jiang, et al., ACS Nano, 6 (2012): 74-80.

　　(2) L. T. Liu, S. B. Kumar, Y. Ouyang, et al., IEEE Trans. Elect. Devices, 58 (2011):3042-3047.

　　(3) R. Tenne et al., Nature, 360 (1992): 3.

　　(4) R. Tenne and M. Redlich, Chem. Soc. Rev., 39 (2010): 1423–1434.

　　(5) H. E. Unalan, R. Tenne et al., IEEE Transactions on Electron Devices, 55 (2008):2988-3000.

　　(6) C. Y. Zhang, S. Wang, L. J. Yang, et al., Appl. Phys. Lett., 100 (2012): 243101.

　　(7) C. Y. Zhang, Z. Y. Ning, Y. Liu, et al., Appl. Phys. Lett., 2012, in press.

　　(8) Z. Y. Zhang, K. Yao, Y. Liu, et al., Adv. Funct. Mater., 17 (2007): 2478–2489.