【原】云大&昆工《ACS AMI》：厘米级！少层PdS2的制备与物理特性

材料科学网 2021-09-09

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作为信息产业基础的半导体材料是微电子、光电子及太阳能等工业的基石，对我国的工业、科技以及国防事业发展都有至关重要的意义。为了开发下一代电子设备，迫切需要新型半导电材料进行迭代升级。

对于下一代新型二维材料的选取，最近研究人员对于一些新材料的理化特性进行研究和发展推测，例如磷烯、复合石墨烯、h-BN、过渡金属硫族化物（TransitionMetal Dichalcogenides, TMDs）、2D超导材料与各类拓扑绝缘体。这些材料所具有的全新理化特性与物理机制将实现新型逻辑、存储及互联概念器件、新型芯片设计及制造、新型微电子结构等的换代，从而推动半导体行业的革新。尽管困难重重，在2004年通过机械剥离技术制成了石墨烯为代表的二维材料。从那时起，二维材料的研究引起了纳米技术、化学、材料科学和凝聚态物理等领域的广泛关注。但由于石墨烯缺乏固有的电子带隙(零带隙)，限制了数字电子在半导体领域的应用，促使了后石墨烯二维材料族的研究。其中TMDs最有希望成为应用于新兴的电子应用新一代的半导体材料。新兴的二维TMDs半导体材料由于其独特的性能，在光电子领域得到了广泛的研究。尤其是为制造新一代集成电路、超微光电子器件和薄膜晶体管提供了可能性。

近日，云南大学材料与能源学院、云南省微纳材料与技术重点实验室张旭东（第一作者），杨鹏、万艳芬（通讯作者）团队通过PVD和CVD相结合的方式实现制备大面积(cm²)少层、均匀的PdS₂材料并表征了相关物理特性，昆明理工大学材料科学与工程学院于晓华（通讯作者）团队提供理论计算支持。相关论文以题为“Centimeter-Scale Few-Layer PdS2: Fabrication and Physical Properties”发表在期刊ACS Applied Materials & Interfaces。

论文链接：

https://pubs./doi/10.1021/acsami.1c11824

作为第10组TMDs的一员，PdS₂具有明显的层数依赖性带状结构，在室温下具有极高的载流子迁移率。并且首次利用角分辨偏振拉曼光谱研究了PdS₂的光学各向异性。在12K ~ 300 K的温度范围内，研究了拉曼光谱的演变。为了进一步了解少层PdS₂的电子特性，制备并研究了场效应晶体管(FET)器件。电子测量结果表明，PdS₂材料具有可调谐的双极性输运机制，场效应迁移率高达388cm²V⁻¹s⁻¹左右，开/关比为约为800，这在以前的研究中是没有的。根据之前研究人员对于PdS₂材料的研究基础来讲，该材料具备TMDs材料的相关同通用物理特性，包括例如较窄的可调带隙，稳定的结构，优异的电学及光学特性等。对于该材料未来的在柔性电子器件，锂电池领域，新型光电传感器在高效化、小型化、特定功能化发展会有举足轻重的作用。

图1：(a)采用磁控溅射技术在SiO₂/Si衬底上制备Pd薄膜;(b) PECVD法制备厘米级少层PdS₂示意图;(c)少层PdS₂拉曼mapping图像;(d)同一样品在不同时间采集的少层PdS₂的拉曼光谱;(e)利用原子力显微镜(AFM)对少层PdS₂的边缘及其高度轮廓进行分析;(f)在1μm× 1μm面积上制备的PdS₂的AFM精扫形貌图; (g)在制备的PdS₂的平面高分辨率TEM图像，插图的是表明良好结晶度的快速傅里叶变换(FFT)模式。

图2：(a)和(b)为厘米级PdS₂的光学图像。PdS₂上5个不同位置的AFM高度分布如图(c)~ (g)所示。少层PdS₂的XPS谱图如图(h)S 2p和(i)Pd 3d主要能级峰。

图3：PdS₂的电子性能及电子逸出特性（所有的计算均使用vdW-D3校正）(a) PdS₂结构的侧视图和顶视图，其中银灰色原子和黄色原子分别代表Pd和S；(b) 单层PdS₂的PBE能带和投影态密度，其高对称点为Γ(0.0，0.0)-X(0.5，0.0)-M(0.5，0.5)-Γ(0.0，0.0)；(c) 双层PdS₂的PBE能带；(d) PdS₂体结构的PBE能带；(e)不同层数PdS₂的导带底和价带顶的变化趋势；(f) 不同层数PdS₂的带隙变化;；(g)单层PdS₂的功函数;；(h)不同层数PdS₂的功函数变化。

图4：SiO₂/Si衬底上的几层PdS₂的KPFM表征:(a,b)测试区域的AFM形貌图及相应的高度剖面，破碎的区域是有意划伤的，以实现锋利的边缘;(c, d) KPFM从PdS₂的蓝线标记区域得到的潜在映射和线廓;(e, f) KPFM对PdS₂的功函数映射和线轮廓。所有的比例尺代表2μm。

图5：(a)在-2.0V偏压作用于衬底，在PdS₂上收集到的实时CAFM图谱;(b, c)尖端电压为-2.0~ 2.0 V时的I-V曲线;(d, e) I-V曲线，尖端电压为-1~ 1 V。

图6：少层PdS₂的温度依赖性拉曼光谱

图7：在12K-300 K范围内，E_g、A_g¹和A_g²模式的Raman共振位置变化(a-c)和半高宽变化(d-f)。

图8：(a)角度分辨偏振拉曼光谱图。(b)E_g和A_g²模拉曼谱线强度与旋转角度的关系。(c)和(d)分别用532nm激光图解得到E_g和A_g²模的拉曼散射强度极坐标图。实线表示拟合曲线。

图9：少层PdS₂的电子特性。(a)PdS₂场效应晶体管的I_s-V_s特性。(b)V_ds = 1 v时I_ds-V_gs转移特性的对数和线性图(c)PdS₂场效应晶体管在不同漏源电压下的转移曲线。(d)PdS₂场效应晶体管的输出曲线。(e) PdS₂在50K赫兹、100K赫兹和200K赫兹时的C-V特性。(f)分别在-1、0和1V偏置电压下电容随频率的变化。