专栏名称: 低维 昂维
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ACS Nano:通过低温阴离子交换和厚度调制在晶圆级二维硒化钯层中引入半导体到金属的转变

低维 昂维  · 公众号  · 科技自媒体  · 2024-12-22 08:12

主要观点总结

该文章介绍了上海昂维科技有限公司提供的二维材料单晶和薄膜等耗材,器件和光刻掩膜版定制等微纳加工服务以及各种测试分析。文章重点介绍了关于低温和厚度调制下的二维PdSe 2 层上的半导体到金属转变的研究。研究者通过化学气相沉积(CVD)法实现大面积生长二维PdSe 2 层,并通过厚度调制和阴离子交换(Se-to-Te)系统引入了从半导体到金属的强烈转变。这一研究可用于制造晶圆级的全二维柔性器件。

关键观点总结

关键观点1: 研究背景

二维过渡金属二硫化物(TMD)层的研究迅速发展,特别是其形态和化学成分依赖的电学和光学性质变化。

关键观点2: 研究重点

基于钯(Pd)的TMD,如二硒化钯(PdSe 2 )层,因其加工工艺简便、成本低、环境稳定性好等特点逐渐受到关注。研究者通过直接硒化Pd前驱体薄膜,在低温下实现大面积生长二维PdSe 2 层,并通过厚度调制和阴离子交换实现半导体到金属的转换。

关键观点3: 研究成果

利用这些受控的转换特性,可以在晶圆级制造出采用半导体二维层通道和金属二维层电极的“全二维”柔性器件。

关键观点4: 文献信息

详细介绍了该研究的相关文献信息,包括文章来源、文献链接等。


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成果介绍

二维(2D)过渡金属二硫化物(TMD)层的研究迅速发展,重点在于揭示其形态和/或化学成分依赖的电学和光学性质变化。许多二维TMD层已经被发现表现出这种过渡特性(例如,层数依赖的带隙调节),这些特性大多出现在采用VI族过渡金属的TMD层中,如钼(Mo)和钨(W)。最近,X族元素(例如铂(Pt)和钯(Pd))作为二维TMD的过渡金属,因其相比传统VI族金属具有独特的优势而逐渐受到关注。 其中 ,基于钯(Pd)的TMD,如二硒化钯(PdSe 2 )层,由于钯的加工工艺更为简便且成本低、环境稳定性较好,相比基于铂(Pt)的材料,具有更为有利的特性。

二维PdSe 2 层的合成已通过多种方法进行探索,其中化学气相沉积(CVD)法因其具有可扩展的工艺和保证较高空间均匀性的优势而显得尤为有前景。 美国中佛罗里达大学Yeonwoong Jung教授团队 通过直接 硒化Pd前驱体薄膜 ,在330°C以下的低温下实现大面积生长二维PdSe 2 层。利用其精确控制的成分和形态,我们通过两种独立的物理和化学方法,即厚度调制和阴离子交换(Se-to-Te),系统地引入了从半导体到金属的强烈转变 关于物理方法,采用厚度小于3纳米的钯薄膜制备的薄二维PdSe 2 层表现出显著的半导体特性,伴随 空穴 迁移率为2.32 cm²/V·s,而较厚的层则无论厚度如何变化,均表现出金属特性。关于化学方法,薄的半导体二维PdSe 2 层经过330°C下的后续碲化反应,可转变为金属化的PdTe 2 层。转化后的二维PdTe 2 层展现出带隙从0.7 eV降至0 eV,并伴随厚度不变的金属特性,这些特性已通过多种光谱技术得到验证。利用这些受控的转换特性,可以在晶圆级制造出采用半导体二维层通道和金属二维层电极的 “全二维 ”柔性器件。

图文导读

图1.二维PdSe 2 层的厚度变化生长和表征。(a) 二维PdSe 2 层的CVD生长示意图。(b)五种不同钯厚度制备的二维PdSe 2 层的拉曼光谱。(c) 从Pd厚度为2.1 nm的相同样品的不同位置获得的拉曼光谱。插图显示了样品的光学显微镜图像。(d) 用五种不同Pd厚度制备的二维PdSe 2 层的原子力显微镜高度剖面图以及具有代表性的原子力显微镜形貌图像(插图)。(e ) Pd厚度与生成的二维PdSe 2 层厚度的相关性,以及具有代表性的原子力显微镜形貌图像(插图)。(f ) ( g ) :通过(f) HR-TEM和(g) SAED图像显示厚度变化的二维PdSe 2 层的TEM特性

图2.场效应晶体管测量结果显示厚度变化的二维PdSe 2 层中的半导体到金属的转变。(a)采用二维PdSe 2 薄层(Pd厚度=2.1 nm)的场效应晶体管在V g 变化时的I ds -V ds 曲线。(b) (a)中的同一场效应晶体管在Vds=1 V时的I ds -V g 曲线及其器件原理图(插图)。(c)采用厚二维PdSe 2 层(Pd厚度=7.4 nm)的场效应晶体管在V g 变化时的I ds -V ds 曲线。(d)V ds =1 V时从(c)中相同FET获得的I ds -V g 曲线。(f)图案FET阵列的光学显微镜图像。(g)不同沟道长度下的I ds -V g 曲线。(h)从3 μm沟道场效应晶体管获得的与V g 有关的I ds -V ds 曲线。(i)迁移率值与沟道长度的相关性。

图3.基于全二维PdSe 2 层的柔性器件中厚度可变的半导体到金属转变的应用。(a)采用厚度调制二维PdSe 2 层的全二维柔性器件示意图。(b)在PI基底上图案化的厚度调制Pd阵列图像。(c)图案化的薄/厚二维PdSe 2 层图像。比例尺为5毫米。(d)PI基底上图案化的薄/厚二维PdSe 2 层的机械弯曲。(e)从薄通道和厚电极上获得的拉曼光谱。(f)显示欧姆传输的I-V曲线。(g)在三种不同波长的连续光照下10秒钟的光致响应性时序图。(h)在间隔为0.5秒的光脉冲照射下的宽带突触可塑性时程图。625和940 nm波长的光电流较小,这反映了它们的光照强度低于405 nm波长的光照强度。

图4.阴离子交换驱动的二维PdSe 2 层到二维PdTe 2 层的转化及其光谱表征。(a ) 制备的PdSe 2 和PdTe 2 层以及转换后的 ( c ) PdTe 2 层的样品图像。(b)-(d):(b)制备的PdSe 2 、(c)制备的PdTe 2 和(d)c-PdTe 2 层的XPS核心结合能光谱。(e)-(g):(e)制备的PdSe 2 、(f)制备的PdTe 2 和(g)c-PdTe 2 层的拉曼光谱。

图5.与二维PdSe 2 层转化为二维PdTe 2 层相关的半导体到金属的转变。(a)不同钯厚度的金电极图案化c-PdTe 2 层以及制备的PdSe 2 层的光学显微镜图像。所有图像中的标尺均为100微米。(b、c ) 通过 ( b ) 紫外-可见吸光度和 ( c ) 陶氏图对制备的PdSe 2 和PdTe 2 以及c-PdTe 2 层的光学特性进行比较。(d)采用由PdSe 2 薄层(Pd厚度=2.1 nm )转换成c-PdTe 2 层的FET所获得的I ds -V ds 曲线。(e)(d)中相同FET在V ds =1 V时的I ds -V g 曲线。(f)不同Pd厚度的c-PdTe 2 FET在V g =0 V时的I ds -V ds 曲线比较。(h)在V g = ±60







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