Small:基于大尺寸二硫化锡原子层的高性能场效应晶体管

近年来,具有化学通式MX2 (M=Mo, W, Re, Sn等;X=S, Se, Te)的二维层状过渡金属硫族化物(TMDs)由于其独特的结构、物理特性和光电性能引起了人们极大的研究兴趣。为了实现其在电子和催化方面工业化应用,合成高质量和大尺寸的TMDs仍至关重要。目前制备TMDs的主要方法是机械剥离和化学气相沉积方法。机械剥离制备TMDs缺乏对尺寸,均匀性和厚度的可控性,生产效率低,无法大规模合成,限制了其在电学和催化方面的工业化应用。另一方面,由于其在材料形貌,缺陷和结构方面的精确控制,化学气相沉积方法是目前制备大尺寸和高质量TMDs最成功的方法。

二硫化锡(SnS2)是一种光电性能优异的二维范德华半导体材料,该材料无毒、环境友好,含量较丰富而且易于制备。本征SnS2n型半导体,通过对双层SnS2进行不同金属插层可以使其导电类型从n型变为p型或者从半导体态变为金属态。这极大地丰富了SnS2在电学,光学和催化方面的应用。华东师范大学物理与电子科学学院上海市极化材料多功能磁光光谱技术服务平台胡志高科研团队与合作者北京航空航天大学宮勇吉科研团队应用熔融盐化学气相沉积法合成出大尺寸(超过410μm)高质量二维材料二硫化锡(SnS2)。研究了SnS2厚度与拉曼振动模式之间的关系,使我们可以通过拉曼光谱直接判断层状SnS2的层数。扫描透射显微镜(STEM)结果表明,制备的高质量SnS2是六角结构且没有缺陷或畸变。SnS2场效应晶体管测试表明开关比可达108,同时迁移率2.58 cm2V-1s-1,显示出良好的电学性能。此外,该团队还系统研究了温度对晶体管电学性能的影响。研究发现,当温度低于275 K时,电子迁移率主要受限于电离杂质散射;而当温度高于275 K时,声子散射成为主要散射机制。研究者相信,SnS2优异的电学性能和制备可控性会为二维TMDs在电催化、电子和光电方面的应用打开一扇窗户。

相关工作以“Large-Scale Growth and Field-Effect Transistors Electrical Engineering of Atomic-Layer SnS2”为题,发表在Small (DOI: 10.1002/smll.201904116)上。该课题得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金以及上海市科委等项目的资助与支持。文章第一作者为华东师范大学徐丽萍博士以及北京航空航天大学张鹏和江华宁博士,华东师范大学胡志高教授以及北京航空航天大学宮勇吉教授为通讯作者。