半導(dǎo)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(xiàn)

　　最近，中科院半導(dǎo)體所超晶格國家重點實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、李樹深院士和夏建白院士的研究團(tuán)隊中，在二維納米材料WS2的光電基礎(chǔ)研究中取得重要進(jìn)展，首次發(fā)現(xiàn)二維WS2場效應(yīng)管具有超高的光敏和氣敏特性，有望應(yīng)用于光開關(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，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(yīng)用。作為石墨烯的補(bǔ)充，具有一定帶隙的過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。此類二維材料由厚度僅為數(shù)個原子的二維單層堆積而成，擁有適當(dāng)?shù)膸逗洼^大的比表面積，可以作為非常有前景的通道材料應(yīng)用于場效應(yīng)晶體管，對可見光的快速響應(yīng)可應(yīng)用于光開關(guān)和光探測器領(lǐng)域，對氣體的超敏感性也可應(yīng)用于氣體探測中。制備低維二維材料的常用方法簡單而方便如微機(jī)械剝離法和化學(xué)氣相沉積( CVD)法，不僅適用于實驗室基礎(chǔ)研究也可實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)以進(jìn)行復(fù)雜電子器件的設(shè)計。近幾年，以WSe2和MoS2為代表的低維二維材料從理論和實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(dāng)今世界納米研究的潮流。

　　在這種背景下，半導(dǎo)體所李京波小組設(shè)計出了基于二維薄層WS2的場效應(yīng)管和光電探測器，對場效應(yīng)、光敏、氣敏性能及它們之間相互影響做了全面系統(tǒng)的研究。作為典型的過渡金屬硫族化物二維半導(dǎo)體，WS2具有優(yōu)良的力光電磁等性質(zhì)。我們發(fā)現(xiàn)WS2表現(xiàn)出n-type半導(dǎo)體行為且具有較大的電子遷移率(12cm2/Vs)，對強(qiáng)度較弱的633nm激光展現(xiàn)出快速高效穩(wěn)定的響應(yīng)，在空氣中響應(yīng)時間小于20ms且光敏度達(dá)到了5.7A/W。我們還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)WS2與不同氣體接觸時，在其表面和物理吸附的氣體分子之間會發(fā)生電荷轉(zhuǎn)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(dǎo)致其電導(dǎo)率的改變，實現(xiàn)了氣體種類或濃度變化以電學(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(dá)884A/Wand1.7×105%。研究結(jié)果表明，二維薄層WS2在高效的光電探測器，光開關(guān)，氣體探測，場效應(yīng)晶體管及集成電子電路中具有巨大的應(yīng)用前景。

　　該工作得到了國家基礎(chǔ)研究項目和國家自然科學(xué)基金的支持。