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《自然•通讯》发表张泽院士团队研究成果---原子层厚二维半导体材料的缺陷研究

编辑:admin 日期:2015-03-17 15:03 访问次数:3702

     2月19日 《自然·通讯》发表了硅材料国家重点实验室张泽院士团队金传洪小组、中国人民大学物理学系季威研究组和英国约克大学袁俊教授等合作的研究成果《二硫化钼原子缺陷探索》。他们利用扫描透射电子显微镜结合第一性原理计算,系统研究了目前主流多种制备方法得到的二硫化钼(MoS2)材料中的原子缺陷,建立了制备方法——缺陷种类——材料性质之间的关联,为这类材料的性能优化和可控制备提供了关键依据。

    石墨烯开创了二维材料的先河,过渡金属硫族化合物(TMDC)则是紧随其后的“明星”材料。MoS2是过渡金属硫族化合物中的代表性材料。其完美单层晶体是迁移率较高的直接带隙半导体,有望成为下一代(柔性)电子器件的核心材料。经过了几年努力,研究人员发现不论是天然矿物机械剥离制备的二硫化钼单层,还是利用物理或化学方法合成的材料,其载流子迁移率都较理论预测有显著不足。虽然经过了几年的各种努力,但仍没有探究清楚其内在机制。
    在细致分析了上述研究现状后,该国际合作团队敏锐地意识到材料缺陷的作用。通常,完美的晶体是可遇而不可求的,晶体中的缺陷始终伴随着其制备、改性、器件集成等各个环节。该团队采用先进的扫描透射电子显微镜和高精度的第一性原理计算,系统全面地研究了多种不同方法制备的二硫化钼单层材料中的原子点缺陷。研究发现,采用机械剥离和化学气相沉积(CVD)方法得到的样品中具有较高的S空位缺陷,而采用物理气相沉积(PVD)方法制备的样品中的缺陷则主要为Mo反位缺陷(如图1)。这两类缺陷对二硫化钼单层材料的光学、电学和磁学性质有着截然不同的影响。随后的电学测量从电子输运性质上验证了这一发现。理论计算分析了形成这些缺陷的热力学和动力学因素,并提出了调控办法。利用上述结果,不但可以控制制备过程,消除缺陷提升材料性能;也可以有意识地引入缺陷,得到具有新性质的材料。该研究将过渡金属硫族化合物的制备方法、缺陷种类和物理性质联系起来,是从原子结构出发认识和预测材料性质的代表性范例。
    博士生洪金华是该工作的第一作者,本研究得到基金委、科技部、硅材料国家重点实验室、浙江大学中央高校基本业务费校长专项和包玉刚国际基金会等资助。
 
附录: 
Exploring atomic defects in molybdenum disulfide monolayers
Jinhua Hong, Zhixin Hu, Matt Probert, Kun Li, Danhui Lv, Xinan Yang, Lin Gu, Nannan Mao, Qingliang Feng, Liming Xie, Jin Zhang, Dianzhong Wu, Zhiyong Zhang, Chuanhong Jin, Wei Ji, Xixiang Zhang, Jun Yuan & Ze Zhang
Nature Communication, 6, 6293 (doi:10.1038/ncomms7293).
http://www.nature.com/ncomms/2015/150219/ncomms7293/full/ncomms7293.html


 
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