无掩膜直写光刻系统助力二维材料异质结构电输运性能研究，意大利科学家揭秘其机理！

发布日期：2023-06-07

期刊：ACS Nano

IF：18.027

文章链接: https://doi.org/10.1021/acsnano.1c09131

【引言】

MoS₂是一种典型的二维材料，也是电子器件的重要组成部分。研究者发现，当MoS₂与石墨烯接触会产生van der Waals作用，使之具有良好的电学特性，可广泛应用于各类柔性电子器件、光电器件、传感器件的研究。然而，MoS₂-石墨烯异质结构背后的电输运机理尚不明确。这主要是因为传统器件只有两个接触点，不能将MoS₂-石墨烯异质结构产生的电学输运特性与二维材料自身的电学特性所区分。此外，电荷转移、应变、电荷在缺陷处被俘获等因素也会对器件的电输运性能产生影响，进一步提高了相关研究的难度。尽管已有很多文献报道MoS₂-石墨烯异质结构的电输运性能，但这些研究主要基于理论计算，缺乏对MoS₂-石墨烯异质结构的电输运性能在场效应器件中的实验研究。

【成果简介】

2021年，意大利比萨大学Ciampalini教授课题组利用小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3 制备出基于MoS₂-石墨烯异质结构的多场效应管器件，在场效应管器件中直接测量了MoS₂-石墨烯异质结构的电输运特性。通过比较MoS₂的跨导曲线和石墨烯的电流电压特性，发现在n通道的跨导输运被抑制，这一现象明显不同于传统对场效应的认知。借助第一性原理计算发现这一独特的输运抑制现象与硫空位相关。

本文中所使用的小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3无需掩膜版，可在光刻胶上直接曝光绘出所要的图案。设备采用集成化设计，全自动控制，可靠性高，操作简便，同时其还具备结构紧凑（70cm X 70cm X 70cm）、高直写速度，高分辨率（XY：<1 μm）等特点。灵活多变的前沿光刻技术，有助于MoS₂-石墨烯异质结构的多场效应管器件的研发。

【图文导读】

图1. 多场效应管器件结构。（a）通过化学气相沉积法合成的石墨烯。（b）同样用气相沉积法合成的MoS₂。（c）多场效应管器件的光学照片。右侧示意图中AB为石墨烯作为接触点的MoS₂场效应管，CD为MoS₂-石墨烯异质结构场效应管。

图2. MoS₂-石墨烯异质结构的拉曼测量结果。（a）MoS₂被转移到石墨烯前和转移后的MoS₂拉曼测量结果。（b）MoS₂拉曼光谱中A_1g峰与E_2g峰的变化关系。图中红色实线代表MoS₂无应变时A_1g峰与E_2g峰间的变化关系，蓝色实线代表无掺杂时A_1g峰随E_2g峰的变化。（c）在MoS₂-石墨烯异质结构中A_1g峰的图谱。（d）石墨烯未被MoS₂覆盖和被覆盖后的拉曼结果。（e）石墨烯拉曼光谱中2D峰与G峰间的关系图。图中红色实线代表无应变时2D峰与G峰间的变化关系，蓝色实线代表无掺杂时2D峰随着G峰的变化。（f）在MoS₂-石墨烯异质结构中2D峰的图谱。

图3. MoS₂-石墨烯异质结构的光致萤光光谱（PL）测量结果。（a）有石墨烯时MoS₂的PL光谱（橘色），无石墨烯时MoS₂的PL光谱（蓝色）。通过高斯拟合，获得A和B激子吸收峰的位置。（b）MoS₂-石墨烯异质结构中A激子吸收峰的强度。（c）A激子吸收峰在MoS₂-石墨烯异质结构中的半高宽图谱。

图4. MoS₂的输运特性。（a）室温条件下，MoS₂在0-80V的VG范围内的I-V特性曲线。（b）转移特性显示出强烈的迟滞。红色箭头表面扫频方向，红色虚线为场效应移动的预计值。其中插图为测量器件的光学照片，电极用黑色圆点表示。

图5. MoS₂覆盖层对石墨烯的电子输运的影响。（a，b）石墨烯上不同MoS₂覆盖面积的器件光学照片。（c-g）石墨烯上不同MoS₂覆盖面积的转移特性，黑色覆盖率0%，橘色48%，蓝色 55%，黄色69%，紫色79%。

图6. 硫空位对场效应的影响。（a）MoS₂-石墨烯界面的能带结构和态密度。（b）不同门电压条件下，场效应所导致的电子和空位的分布。蓝色表示电子，红色表示空位。（c，d）在不同门电压条件下，MoS₂-石墨烯界面的侧视图以及硫空位（绿色）的位置。

图7. 不同硫空位密度条件下，石墨烯导电性能计算值。

【结论】

Ciampalini教授课题组首先制备了MoS₂-石墨烯二维材料的异质结构，在此基础上使用小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3制备了多场效应管器件。通过对多场效应管器件的直接测量，发现了MoS₂覆盖层对石墨烯电输运性能的独特抑制作用。为了更好地理解这一独特电输运现象，采用第一性原理的方法，计算了硫空位对石墨烯导电性能的影响。该工作为后续的石墨烯场效应电学及光电器件的研究和应用打下良好的基础。同时，从文中也可以看出，课题组最主要的优势是能够制备出基于MoS₂-石墨烯异质结构的多场效应管器件。在制备该器件过程中，需要及时修改相应的参数，得到优化的实验结果，十分依赖灵活多变的光刻手段，小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3可以任意调整光刻图形，对二维材料进行精准套刻，帮助用户快速实现器件制备，助力电输运研究。

小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3