河南大学程纲团队在Nano Energy上报告基于摩擦纳米发电机的单层MoS2的表面离子栅调控及新型光电器件

【引言】

通过栅极电压调控载流子传输特性是发展电子和光电器件的重要策略。先前的栅极调制技术通常应用于固体/半导体或液体/半导体界面，但对于许多实际应用中，半导体材料直接暴露于气态气氛中，传统的调控技术不能有效地利用气体离子来调控半导体载流子的传输特性。因此，开发气体/半导体界面中的新型栅极调制技术具有重要意义。

【成果简介】

近日，河南大学特种功能材料教育部重点实验室程纲教授报道了一种新的“表面离子栅”调控技术。基于摩擦纳米发电机驱动的气体放电现象，在气体/半导体界面中提出了一种新型的“表面离子栅”调控技术。该技术利用独立层结构的摩擦纳米发电机诱导的气体放电产生的负离子吸附在单层MoS₂表面位置，充当“栅压”来调控单层MoS₂载流子浓度和电输运性质。不同气氛下的测试结果表明，放电产生的氧负离子和电子在表面被捕获所形成的局域负电荷，是表面离子栅调控器件性能的主要原因。

利用表面离子栅调控技术，开发了单层MoS₂的新型晶体管和光探测器。在表面离子栅的调控下，晶体管获得了10⁴的电流开关比。通过表面离子调控，光探测器中光电流的恢复时间从6.64 s降低到74 ms。在文章中讨论了新型晶体管和光电探测器的工作机制。本文所提出的表面离子栅调控技术，可以实时、原位地调控二维材料的电传输特性和表面局部能带结构，这为发展新型二维电子和光电器件提供了新的思路，具有广阔的应用前景。

相关成果以“The Novel Transistor and Photodetector of Monolayer MoS₂Based on Surface-Ionic-Gate Modulation Powered by a Triboelectric Nanogenerator”为题发表在国际著名期刊Nano Energy上。博士生赵磊为论文的第一作者，程纲教授和杜祖亮教授是论文的共同通讯作者。

【图文导读】

图一 基于摩擦纳米发电机诱导的气体放电的表面离子栅调控技术示意图

（a）基于摩擦纳米发电机诱导的气体放电的表面离子栅调控技术示意图。（b）摩擦纳米发电机诱导的气体放电的电流时间曲线。（c）负电晕放电离子运动示意图。

图二表面离子栅调控MoS₂器件的电学性能及不同气氛中器件的电流-时间特性曲线

图2 （a）表面离子栅调控MoS₂器件的示意图。（b）表面离子栅调控MoS₂器件的I-V特性曲线，插图是被调控器件的光学图像，比例尺为20 μm。（c）利用表面离子栅技术多次调控MoS₂器件的I-V特性曲线，插图是器件电流与表面离子栅调控器件次数对应曲线，V_ds为1V。（d）-（f）是在N₂，O₂和空气条件下，表面离子栅调控MoS₂器件的电流-时间特性曲线。

图三表面离子栅调控MoS₂器件在不同气氛中响应机理示意图

图3 表面离子栅调控单层MoS₂器件在（a）氮气，（b）氧气和（c）空气条件下响应机理示意图。

图四 未使用和使用表面离子栅调控单层MoS₂器件的光响应曲线

图4（a）未调控的多个照射周期下MoS₂器件的I-T特性曲线。（b）线性坐标下（a）图中单个光电流周期的放大视图。（c）在表面离子栅调控下多个照射周期下MoS₂器件的I-T特性曲线。（d）线性坐标下（c）图中单个光电流周期的放大视图。V_ds为1V。

图五 表面离子栅调控单层MoS₂器件后，在紫外光下工作机制

图5 表面离子栅调控单层MoS₂器件后，在紫外光下工作机制（a）表面离子栅调控MoS₂器件后， O₂^-吸附在器件表面缺陷处。（b）器件在紫外光照射下，产生光生电子-空穴对。（c）光生空穴被表面缺陷捕获。（d）O₂^-与光生空穴复合，O₂脱附。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.05.012

本文由河南大学特种功能材料教育部重点实验室程纲教授团队供稿。

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