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從1947年*一只晶體管的誕生，到1958年*一塊集成電路的出現(xiàn)，微電子技術歷經(jīng)了半個多世紀的發(fā)展，現(xiàn)如今給人類社會發(fā)展帶來了方便。作為信息產(chǎn)業(yè)基礎的半導體材料是微電子、光電子及太陽能等工業(yè)的基石，對我國的工業(yè)、科技以及國防事業(yè)發(fā)展都有至關重要的意義。石墨烯作為典型的二維納米材料材料，具備化學、光、電、機械等一系列優(yōu)良的特性而得到廣泛應用，但石墨烯存在零帶隙、光吸收率低等缺點限制了其更廣泛的應用，與此同時類石墨烯材料應運而生，過渡金屬硫族化合物（Transition Metal Dichalcogenides, TMDs）作為類石墨烯材料的典型代表不僅具備類似石墨烯的范德華力結合的層狀結構，還擁有優(yōu)異的光、電、磁等性能，更好地彌補了石墨烯的缺點，大大拓寬了半導體材料的實際應用范圍。

硫化鉑(Platinum sulfide, PtS₂)作為TMDs家族的重要成員，具有較寬且可調(diào)帶隙、光-物質(zhì)相互作用強和穩(wěn)定性好等特點，是半導體器件的潛在候選者。特別是近年來伴隨著電子元器件尺寸的進一步縮小和集成程度提高，半導體產(chǎn)業(yè)的瓶頸愈加凸顯，TMDs的出現(xiàn)給現(xiàn)代電子技術領域帶來了新的發(fā)展機遇。然而當今二維材料共同面對的比如材料面積不大、不易轉移等問題對半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展形成了一定的影響。

針對上述問題，2021年初，云南大學材料與能源學院、云南省微納材料與技術重點實驗室楊鵬，萬艷芬團隊通過物理氣相沉積(Physical vapor deposition, PVD)和化學氣相沉積(Chemical vapor deposition, CVD)相結合的方式實現(xiàn)制備大面積(cm²)少層、均勻的PtS₂材料并表征了相關物理特性，昆明理工大學材料科學與工程學院王梟團隊提供理論計算支持。

圖1 (a)PtS₂的原子構型 (b)大面積少層PtS₂光學圖像 (c)少層PtS₂光學顯微鏡圖 (d)少層PtS₂上不同位置的AFM高度分布。

圖2 (a)剝離的的PtS₂高分辨透射電子顯微鏡圖像 (b)晶格條紋圖 (c)對應紅色方框的快速傅里葉變換衍射圖。

圖3 (a)單層PtS₂的能帶和態(tài)密度 (b)雙層PtS₂的能帶結構 (c)PtS₂塊體材料的能帶結構 (d) 不同層數(shù)的PtS₂的帶隙值變化圖 (e)不同層數(shù)PtS₂的導帶和價帶變化

圖4 (a)大面積少層PtS₂的制備示意圖 (b)樣品三個不同位置獲得的拉曼光譜 (c) PtS₂的光致發(fā)光光譜

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圖5 (a)少層PtS₂的X-射線光電子能譜(XPS) (b) Pt的XPS能譜 (c) S的XPS能譜

圖6 (a)少層PtS₂掃描電鏡圖像 (b)少層PtS₂元素含量 (c) Pt元素mapping圖 (d) S元素mapping圖

圖7 少層PtS₂的偏振拉曼測量 (a)角度分辨偏振拉曼光譜原理圖 (b)分別在溫度300K(藍線)、200K(黑線)、100K(紅線)、12K(綠線)不同偏振角度下拉曼振動模式的強度變化（點是實驗數(shù)據(jù)，實線是對數(shù)據(jù)的擬合）(c - f)溫度為300 K (c)、200 K (d)、100 K (e)和12K (f)偏振拉曼振動模式強度極性圖

圖8 大面積少層PtS₂的場效應晶體管（Field effect transistor, FET)特性 (a) FET示意圖 (b) FET的Is - Vds特性 (c)不同漏源極電壓FET器件Id-Vbg轉移曲線 (d) FET的Is - Vds輸出曲線

圖9 大面積少層PtS₂的光電流特性 (a)光電器件橫截面圖 (b) PtS₂光電器件在不同光功率下的電流- Vg曲線 (c) PtS₂ 光電器件在不同光功率下的電流- Vds曲線

 圖10 大面積少層PtS₂的C-V性能 (a)不同探測頻率下PtS₂的C-V特性 (b)在-1V、0V、1V不同偏壓下，電容隨頻率的變化圖

圖11 PtS₂在SiO₂/Si襯底上的KPFM圖像 (a) PtS₂樣品的AFM高度圖 (b)基于開爾文探針力顯微鏡（Kelvin probe force microscope, KPFM ）測量PtS₂的功函數(shù)圖像 (c)PtS₂的功函數(shù)展示 (d)基于開爾文探針力顯微鏡（Kelvin probe force microscope, KPFM ）測量PtS₂的表面電勢圖像 (e) PtS₂的表面電勢展示

圖12 (a) PtS₂表面的靜電勢分布 (b)單層PtS₂的靜電勢和功函數(shù) (c)不同層間PtS₂的功函數(shù)變化

圖13 PtS₂的拉曼光譜強度在氧等離子體處理前后的變化 (a) O₂等離子體處理PtS₂的示意圖(b)O₂等離子體處理不同時間的拉曼光譜變化 (c)O₂等離子體處理時間為分鐘數(shù)量級的拉曼光譜變化

總結

綜上所述，作者通過物理氣相沉積與化學氣相沉積相結合的方式實現(xiàn)了大面積、均勻性的PtS₂材料制備，同樣地，將實驗與計算模擬相結合的方式對PtS₂的合成、結構以及物理特性進行了探究，展示了PtS₂的原子結構示意圖、溫度依賴極化拉曼光譜及光電器件搭建測試等工作。大面積的少層材料制備可降低光電器件的搭建難度以及提高材料轉移的成功率。該項制備策略提供了作為合成部分其他TMDs材料的通用方法。

相關研究成果以“Large-area uniform few-layer PtS₂: Synthesis, Structure and Physical Properties, ”發(fā)表在國際著名材料學術刊物Materials Today Physics上，文章*一作者為云南大學材料與能源學院研究生陸江偉，通訊作者為楊鵬、萬艷芬、王梟，該研究得到了國家自然科學基金、云南省應用基礎研究計劃項目、云南大學高層次引進人才經(jīng)費的支持。

本研究采用北京卓立漢光儀器有限公司一系列光學產(chǎn)品，如光學平臺、偏振濾光片等，如需了解該產(chǎn)品，歡迎咨詢我司。

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