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【研究背景】
二维（2D）半导体因其原子级薄的结构、理论完美的范德瓦尔斯界面、以及在单片三维（3D）计算系统中实现异质集成的潜力，在电子和光电子器件领域引起了极大的兴趣。二硫化钨（WS
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）和二硫化钼（MoS
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）是常被研究的2D过渡金属二硫化物（TMD）半导体，因为它们可以生长大面积单层，在原子级厚度下具有良好的电子迁移率，并且可作为单层或多层材料表现出电子双极性。然而，将WS
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和其他TMD材料纳入大规模异质集成仍然面临重大挑战，其中之一是提高TMD基场效应晶体管（FET）的电子迁移率和导通电流等电性能指标。虽然通道掺杂、界面工程、和接触工程等技术已被用于改善WS
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晶体管的电性能，但应变工程提高器件性能仍有待探索。
最近，一项实验研究表明，在不到1%的拉伸应变下，单层MoS
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的迁移率几乎翻倍，同时理论研究也预测了拉伸和压缩应变对各种TMD材料的能带结构和迁移率的影响。需要注意的是，模拟结果显示与单轴应变相比，双轴应变对单层MoS
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迁移率的影响更大。对晶体管性能的应变研究也具有工业相关性；例如，在每个现代硅晶体管中都内置了拉伸和压缩应变，分别用于提高电子和空穴的迁移率。然而，尽管在理解应变对光学发射影响方面已经做出了重大努力，但应变对WS
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和MoS
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电子性能的影响，特别是在非均匀和非单轴应变场下的影响，仍有待探索。此外，理论研究还预测在基础的TMD材料中，WS
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应具有最高的本征迁移率和饱和速度。
【成果介绍】
鉴于此，斯坦福大学的Eric Pop教授及其团队发表了题为“Biaxial Tensile Strain Enhances Electron Mobility of Monolayer Transition Metal Dichalcogenides”的工作在ACS Nano期刊上。在这项工作中研究了双轴拉伸应变对氧化铝封装的单层WS
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和未封装的单层MoS
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晶体管（位于可弯曲衬底上）光学性质和电子迁移率的影响。研究发现，在约0.3%的双轴拉伸应变下，WS
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的电子迁移率和晶体管导通电流增加了约100%，而MoS
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在相同应变下增加了约60%。与未封装的WS
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薄膜相比，封装还显著改变了受拉伸应变作用的WS
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的光学带隙和拉曼模式。将实验结果与WS
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的密度泛函理论模拟进行了对比，证实迁移率和电流的增强可能是由于谷间散射减少，而非电子有效质量的变化造成的。这些结果表明了应变工程在提高基于TMD的电子器件性能方面可以发挥关键作用。
【图文导读】
图 1.
TMD器件示意图和应变装置。(a) 背栅（BG）单层（1L）WS
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晶体管在聚乙烯萘二甲酸酯（PEN）柔性衬底上的示意图。(b) 单层WS
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晶体管的俯视光学图像，沟道宽度W约20 μm，长度L约10 μm。(c) 弯曲衬底芯片的照片，上面有数百个WS
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器件。(d) 双轴应变装置示意图。
图 2. 单层WS
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对双轴应变的拉曼和光致发光（PL）响应。(a) 与图1b中类似几何结构的器件在封装前（灰色）、AlO
x
封装后（蓝色）以及AlO
x
封装并施加双轴应变后（橙色）的拉曼光谱。(b) AlO
x
封装的WS
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的A1'（粉红色）、E'（红色）和2LA(M)（绿色）拉曼峰随施加的双轴应变的位移。(c) 在与(a)相同的条件和颜色标记下，器件沟道内相同位置的PL光谱。(d) 提取的A
0
激子（红色）及其左侧肩峰（绿色）的偏移。
图 3.
WS
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应变器件测量。(a) 图1b中器件（W = 20 μm，L = 10 μm）在不同程度的施加双轴拉伸应变下的转移特性曲线。 (b) 同一器件在0%（虚线）和0.28%（实线）施加的双轴拉伸应变下的输出特性曲线。 (c) 48个晶体管的导通电流（I
on
）随施加的双轴应变的变化，归一化到初始无应变值（I
on,0
）。(d) 与(c)中相同的48个晶体管的场效应迁移率（μ
FE
）随施加应变的变化，归一化到初始无应变值。
图 4. MoS
2
应变器件测量。(a) 一个宽度W = 20 μm，沟道长度L = 12 μm的器件在不同程度的施加双轴拉伸应变下的转移特性曲线。(b) 同一器件在0%（虚线）和0.23%（实线）施加的双轴拉伸应变下的输出特性曲线。(c) 21个晶体管的导通电流（I
on
）随施加的双轴应变的变化，归一化到初始无应变值（I
on,0
）。 (d) 与(c)中相同的21个晶体管的场效应迁移率（μFE）随施加应变的变化，归一化到初始无应变值（μ
FE,0
）。
图 5. 密度泛函理论（DFT）计算。(a) 单层WS
2
在无应变（黑线）、1%单轴应变（蓝色点线）和1%双轴应变（橙色虚线）下的导带结构。 (b) K和Q导带谷之间的能量差（ΔE
QK
）随施加的拉伸应变的变化。
【总结展望】
总之，本文研究了CVD生长的单层WS
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和MoS
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晶体管在施加双轴拉伸应变下导通电流和迁移率的增强。器件在柔性PEN衬底上通过电动精密丝杆驱动的亚克力十字架偏转来施加应变。总体而言，在0.3%的双轴拉伸应变下，WS
2
器件的电子迁移率和导通漏极电流增加了约2倍，这是迄今为止在最低施加拉伸应变下实现的最大的TMD晶体管迁移率改善。相比之下，先前的实验工作在更高（0.7%）的单轴拉伸应变下才实现了MoS
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的同等增幅。基于DFT模拟，将这种改善归因于拉伸应变下能量差ΔE
QK
的增加导致的谷间散射减少。本文突出了无论是在柔性还是传统刚性电子和光电子器件中，应变工程都可作为未来提高TMD器件性能的关键手段。
【文献信息】
Jerry A. Yang, Robert K. A. Bennett, Lauren Hoang, Zhepeng Zhang, Kamila J. Thompson, Antonios Michail, John Parthenios, Konstantinos Papagelis, Andrew J. Mannix, and Eric Pop*, Biaxial Tensile Strain Enhances Electron Mobility of Monolayer Transition Metal Dichalcogenides. ACS Nano 2024.
https://doi.org/10.1021/acsnano.3c08996
文献链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c08996
