一、原子结构与电子特性深度解析
1. 晶体结构
- 层内化学键：单层MoS₂为三明治结构（S-Mo-S），Mo原子处于六方密堆积中心，通过强共价键与上下两层S原子结合。层间距约0.65 nm，层间通过弱范德华力连接。
- 多晶型（相变）：
- 2H相：热力学稳定相，半导体性（六方晶系，AB堆叠）。
- 1T相：亚稳金属相（三方晶系），可通过化学插层（如Li⁺）或电子束辐照诱导相变，用于低电阻电极。
- 3R相：罕见菱方相，具有铁电性潜力。
2. 能带工程
- 厚度依赖带隙：
- 单层：直接带隙（~1.8 eV），导带底（CBM）位于K点，价带顶（VBM）在Γ点，允许高效光生载流子跃迁。
- 双层：间接带隙（~1.5 eV），CBM和VBM均移至Λ点，光致发光（PL）强度骤降。
- 块体：间接带隙（~1.2 eV），载流子寿命受声子散射限制。
- 应变调控：
- 施加双轴拉伸应变可使单层MoS₂带隙线性减小（~45 meV/%应变），同时K谷与Q谷能量差缩小，影响载流子输运。
- 压缩应变可诱导半导体-金属相变（临界应变约10-15%）。
3. 激子与多体效应
- 激子结合能：单层MoS₂中激子结合能高达~0.5 eV（远超硅的~15 meV），源于量子限域效应和降低的介电屏蔽。
- Trion与极化子：
- 电子掺杂下形成负Trion（X⁻：一个电子+两个空穴），发光峰红移。
- 强光激发可产生双激子（biexciton）或激子-极化子耦合态。
二、器件物理与性能极限
1. 场效应晶体管（FET）
- 短沟道效应抑制：
- 单层MoS₂厚度仅0.65 nm，可避免传统硅基FinFET中的量子隧穿泄漏，理论上支持沟长缩至1 nm。
- 实验证明5 nm沟长MoS₂ FET仍保持高开关比（>10⁶）。
- 接触工程：
- 肖特基势垒：金属功函数与MoS₂电子亲和势（~4.2 eV）失配导致接触电阻高。
- 边缘接触：采用金属（如Ti）直接键合MoS₂边缘S原子，接触电阻可降至~200 Ω·μm。
- 相变接触：通过激光处理局部生成1T相MoS₂作为源/漏，接触电阻低至50 Ω·μm。
- 载流子输运机制：
- 低场下声学声子散射主导，迁移率与温度呈T^{-γ}关系（γ≈1.6）。
- 高场下光学声子散射引发速度饱和（饱和速度~3×10⁶ cm/s）。
2. 光电探测器
- 光响应机制：
- 光导模式：光照产生电子-空穴对，载流子寿命长（~100 ns）导致高增益。
- 光伏模式：异质结内建电场分离载流子，响应速度快（ps级）。
- 性能指标：
- 响应度（R）：单层MoS₂光电导器件可达10⁴ A/W（532 nm，Vds=1 V）。
- 探测率（D*）：>10¹³ Jones（近红外波段，低温下）。
- 响应速度：受RC常数限制，最快达~5 ps（超快泵浦探测实验）。
3. 柔性电子器件
- 机械稳定性：
