浙江大学ACS nano 最新综述：2D材料与3D材料间的接触

vesta_lws 8年前 (2016-05-16) 9159浏览

如今，各种2D材料层出不穷，科学家也做了大量的工作研究它们的物理化学性质，以期望能够打破传统硅基技术的物理极限，给纳米电子学注入新的活力。朝气蓬勃的2D电子学向着各个方向飞速发展，与此同时，关于2D材料的范德华异质结的研究也备受关注，异质结中最重要的就是接触问题。

近日，浙江大学徐杨等人将2D材料与3D材料的接触分为四类，包括金属与石墨烯的接触，金属与2D半导体的接触，石墨烯与传统半导体的接触和2D半导体与传统半导体的接触，并且总结了四类界面接触的研究状况，分析了界面形成的异质结的性质和应用。这篇文献为科研工作者和产业界指出了2D/3D材料接触的发展状况和问题，并指出了未来的研究方向。

Part 1 金属与石墨烯的接触

对于任何电子器件的发展，活性层的可靠性电子接触是第一步。对于研究沟道材料的内在输运性质和提高器件性能而言，欧姆接触的精确表征或者肖特基接触的控制都是非常重要的。文章首先介绍了传统半导体器件中的接触阻抗表征方法——转移长度法（TLM），及其在新型2D材料中的贡献，并总结了金属/石墨烯接触的应用发展情况。

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图1 传统半导体器件中测量接触电阻Rc和转移长度LT的转移长度法（TLM）：（A）测量装置的俯视图；（B）测量装置的侧视图；（C）沟道长度L和总电阻Rtotal的变化曲线：横坐标的截距为二倍的转移长度，纵坐标的截距为二倍的接触电阻。

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图2 金属-石墨烯接触的电子输运：（A）传输概率：TMG为从金属注入石墨烯的载流子，TK为石墨烯沟道内的载流子；（B）金属-石墨烯界面的能带示意图；（C）石墨烯p-n结的能带示意图。
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图3 多层FET电流分布的阻抗网络模型：（A）插图为电流开关比的实验数据，开状态和关状态的沟道电导，及对应的拟合曲线；（B）阻抗网络模型示意图，Ri为每层石墨烯的阻抗，Rint为层间阻抗。
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图4 石墨烯的边缘接触：（A）单层石墨烯被封装在氮化硼中，边缘暴露在空气中，当Cr/Pd/Au(1/15/60nm)沉积在边缘，形成边缘接触；（B）上图为扫描电子显微镜成像图片，下图为电子能量损耗能谱图，证实了边缘接触的形成。

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图5 各种NO2气体传感器的能带示意图：（A）石墨烯NO2气体传感器工作过程的能带示意图；（B）SnO2界面NO2气体传感器工作过程的能带示意图；（C）石墨烯-SnO2界面NO2气体传感器工作过程的能带示意图；（D）SnO2纳米粒子与NO2的反应机理；（E）混合少量石墨烯的SnO2纳米粒子与NO2的反应机理；（F）混合很多石墨烯的SnO2纳米粒子与NO2的反应机理。

Part 2 金属与2D半导体的接触

在石墨烯研究的基础上，金属与其他2D材料，特别是TMDs(MoS2,MoSe2,WS2等)，BP等，形成的接触在近几年也被做了大量的研究工作。与石墨烯不一样，这些2D半导体拥有可调能隙，为不同的器件应用提供了巨大的潜力。因此，本部分主要集中在MoS2领域的系统讨论和BP领域的研究进展，并归纳对该部分的应用发展状况。

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图6 Ni/MoS2节的肖特基势垒高度（SBH）：（A）不同温度条件下，固定源漏电压VDS，源漏电流IDS随背栅电压VGS的变化曲线；（B）有效载流子高度随背栅电压VGS的变化曲线；（C）A图数据的Arrhenius类型曲线；（D）不同功函数的SBH。

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图7 背栅Ti/Au接触MoS2 FET的能带示意图，展现了不同Vbg和Vds的源极和漏极的肖特基载流子。

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图 8 （A）石墨烯/WS2/石墨烯结构光捕获器件的结构示意图；（B）Au纳米棒/SiO2/Si结构的极化分解散射光谱；（C）WS2/SiO2/Si结构的散射光谱；（D-F）在WS2/SiO2/Si结构上，不同长度纳米棒对应的发射极化分解散射光谱；（D）612nm波长下，计算出的近场密度图；（H-J）在WS2/SiO2/Si结构上，计算得到的不同长度纳米棒对应的发射极化分解散射光谱。
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图9 （A）MoS2上银纳米盘阵列的结构示意图；（B）纳米盘阵列的SEM成像；（C）B图中对应纳米盘阵列的集成光致发光强度分布图；（D）纳米盘阵列的光致发光光谱。

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图10 （A）NO2诱导P型掺杂源极/漏极接触的WSe2 FET的结构示意图；（B）NO2诱导前后，器件的输运特征曲线；（C，D）从B图数据计算出器件的有效空穴迁移率和输出特征曲线；（E）K原子诱导n型掺杂源极/漏极接触的WSe2 FET的结构示意图；（F）诱导前和分别诱导1，20，40，70和120分钟的输运特征曲线；（G）诱导120分钟后，器件的输运特征曲线，插图展示了器件的有效电子迁移率曲线；（H）器件的输出特征曲线。

Part 3 石墨烯和传统半导体的接触

当石墨烯与传统半导体形成接触时，石墨烯作为透明的半金属，在肖特基节为基础的光电应用领域具有巨大的潜在价值，有望代替普通金属。在这个部分，文章从基础的3D肖特基节模型为入手点，总结了已经报道的石墨烯-传统半导体肖特基节的实验方法，回顾了已有的2D-3D半导体系统模型，并归纳了该体系的应用领域。

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图11 石墨烯/肖特基/硅肖特基节的SBH和理想因子：（A）器件结构示意图；（B）根据热电子发射模型，电流-电压曲线的线性拟合；（C）饱和电流随温度的变化曲线。

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图12 石墨烯和Si，GaAs，SiC分别形成肖特基节SHB的C-V曲线。

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图13 利用阻抗光谱研究SBH：（A）器件分布和对应的电路原理图；（B）测量出的阻抗光谱；（C）B图数据中的拟合参数；（D）电容-电压特征曲线。
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图14 利用传导原子力显微镜（CAFM）表征石墨烯/SiC肖特基节的不均匀性：（Ａ）少层沉积/转移石墨烯（DG）/SiC结构的形貌图和局域I-V曲线；（B）剥离石墨烯（EG）/SiC结构的形貌图和局域I-V曲线；（C，D）A图和B图样品对应的直方图和能带图；

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图15 CVD石墨烯/SiC节的不均匀性表征：（A）SiC上的石墨烯STM成像，插图是虚线的剖面高度图；（B）石墨烯褶皱的STM成像，插图是对应的dI/dV曲线；（C）褶皱的STM成像；（D）C图标记点的dI/dV曲线，插图是狄拉克能量的标准概率分布。

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图16 石墨烯/（A）n-Si，（B）n-GaAs，（C）n-4H-SiC，和（D）n-GaN界面的J-V表征。

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图17 石墨烯/Si二极管的肖特基节性质：（A）I-V特征和经典热电子发射理论的拟合曲线；（B）SBH随反向偏压的变化曲线；（C）I-V特征和朗道尔输运模型的拟合曲线。

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图18 石墨烯/3D半导体肖特基节太阳能电池的效率，红色点代表石墨烯/Si器件，绿色方块代表石墨烯/Zn3P4器件，蓝色三角形代表石墨烯/CH3NH3I粘性钙钛矿器件，方括号里面的数字代表参考文献序号。

Part 4 2D半导体和传统半导体的接触

2D半导体在3D半导体衬底上的集成为整流，光探测和能量捕获等应用带来了器件设计的希望。层状半导体在层间没有悬挂键，例如TMDs， 消除了异质节界面的晶格不匹配和压力/拉力相关问题。

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图19 p-MoS2/n-SiC节的性质：（A）不同温度下的I-V特征，插图是器件结构；（B）C-V特征，插图是1/C2随内建电场电压的变化曲线；（C）能带图。

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图20（A）MoS2/Si光电二极管的示意图和照片；（B）不同厚度MoS2的A图器件光电流密度和反向偏压的变化曲线；（C）Si/MoS2 MSM光探测器件的示意图；（D）MoS2/Si光探测器件的示意图，MoS2层是垂直的。

【展望】

在过去的十年间，2D电子学已经发展成为了一个非常活跃的领域，给可预见的未来现实生活带来了众多期望，特别是柔性电子学的应用。因此，这个部分，文章主要总结了2D材料和3D材料的接触应用的展望，并提出了未来的研究方向和研究的必要性。

【备注】

该研究成果近期发表在ACS nano(IF:12.881) 上，文献链接：Contacts between Two- and ThreeDimensional Materials: Ohmic, Schottky, and p-n Heterojunctions。（非原网页读者请到欧洲足球赛事 下载）

本文由材料人科普团队学术组灵寸供稿，欧洲足球赛事 编辑整理。

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