关键词： Nb3Cl8单层   磁性材料   磁各向异性   自旋电子输运  

摘要： 具有本征磁性的二维半导体材料在实现低功耗、小尺寸和高效率的自旋电子学器件方面具有重要应用前景.一些拥有特殊晶格结构的二维材料,如笼目晶格结构,凭借其在磁性和电学方面的新颖性质而受到研究者的青睐.最近,一种新的具有笼目晶格结构的二维磁性半导体材料Nb3Cl8单层被成功制备出来,为探索具有笼目结构的二维磁性半导体器件提供了新机会.本文通过第一性原理方法研究了 Nb3Cl8单层的电子结构、磁各向异性,构造了其p-n结二极管结构,并研究了其自旋输运性质.结果表明,Nb3Cl8单层易磁化轴在平面内,沿x轴方向,Nb原子对磁各向异性起主要贡献,且相关磁性可通过应力应变进行调控.此外,基于Nb3Cl8单层的p-n结二极管纳米器件表现出整流效应、自旋过滤效应以及负微分电阻现象.这些结果表明了 Nb3Cl8单层在下一代高性能自旋电子器件方面具有较大的应用潜力.

关键词： CVD   MoS2   单层   光电特性  

摘要： 二维半导体材料是一类新兴的新材料,具有广泛的电学性能和潜在的应用价值。本文以S和MoO3粉末为原料,利用化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition, CVD),在SiO2/Si片上制备了高质量、大面积的单层MoS2单晶样品。利用XRD、OM、EDS、TEM、AFM及半导体光电特性分析设备,对不同制备样品的表面形貌、晶体结构、组成成份、样品厚度及光电特性进行了测试分析。结果发现,制备的三角形的单层及少层MoS2单晶主要呈现六角晶系结构,且边界清晰,表面光滑,有较好的透光性,最大尺度可达250 μm,MoS2单晶生长中的硫化反应过程符合VLS生长机制。在不同生长条件中,反应物中的S/MoO3的质量比和反应温度是影响单层MoS2单晶样品生长类型的主要影响因素。分析发现,制备单层MoS2单晶的最佳S/MoO3质量比为1000/30,而最佳沉积温度为900℃。测试发现,由单层MoS2单晶样品制备的光电器件具有很高的光电灵敏度和较好的光电响应特性。

关键词： 二维过渡金属硫属化物   化学气相沉积   外延生长   异质结   晶圆级  

摘要： 二维过渡金属硫属化物以其优异的性能近年来得到了科学和产业界的广泛关注和研究兴趣。其中,单层二硫化钼和二硒化钼是最具代表性的半导体材料,在电子器件和光电器件方面具有巨大的应用潜力。过渡金属硫属化物不仅可以形成原子级薄的单层,并且可以通过不同单层材料的组合,形成异质结构,包括横向异质结和垂直异质结,具有新奇的可调控物理性能,为实现功能化的器件应用拓宽了道路。为了实现这些新型二维半导体的实际应用,大面积高质量的过渡金属硫属化物单层薄膜及其异质结的可控制备是一个重要的研究课题。本文采用化学气相沉积的方法进行晶圆级二维材料生长并进行了器件的制备和表征,主要取得的研究结果如下:1)实现了单层二硒化钼连续薄膜的4英寸晶圆外延生长。以蓝宝石衬底作为外延生长的衬底,利用三温区化学气相沉积系统,采用多源控制的生长方法,得到了4英寸晶圆级单层二硒化钼的连续薄膜。晶圆尺寸薄膜的结构和光谱学表征表明薄膜在大面积范围具有很好的均匀性。基于生长的单层二硒化钼制备的场效应晶体管器件的电流开关比可达10。此外,通过化学气相沉积法也成功制备了二硒化钼的横向异质结。2)实现了过渡金属硫属化物双层垂直异质结的2英寸晶圆外延生长。采用两步化学气相沉积的生长方法在蓝宝石衬底上得到了2英寸晶圆尺寸的双层垂直异质结的连续薄膜。异质结由两种材料的单层薄膜组成,具有干净的界面以及很好的大面积均匀性。由异质结制备的器件具有良好的光电性能,光响应时间可达几十微秒。3)构筑了基于单层二硫化钼薄膜的可拉伸场效应晶体管器件。采用化学气相沉积方法生长得到的单层二硫化钼薄膜作为场效应晶体管器件的沟道材料,通过预拉伸的方法制备了弹性衬底上的可拉伸器件。器件具有褶皱的结构使其能够承受较大应力,并且可以在拉伸前后重复稳定地工作。对可拉伸的二硫化钼场效应晶体管器件进行了在光电突触方面的应用探索,展示了良好的图像识别准确率。

关键词： 二维材料   应力   隧穿场效应晶体管   第一性原理计算  

摘要： 随着科学技术的飞速发展,晶体管沟道材料的长度越来越小,短沟道效应变得不容忽视,造成栅极对器件的控制能力减弱,从而导致器件性能降低和功耗变大等一系列问题.二维材料代替块体材料作为隧穿场效应晶体管(TFET)的沟道对于解决上述问题具有明显的优势,所以寻找一种电子性能优异的二维材料亟不可待.本文通过密度泛函理论计算了二维单层β-tellurene和GeP的电子性质,并在此基础上结合非平衡格林函数的方法,研究了二维单层β-tellurene和GeP分别作为沟道材料的β-tellurene TFET和GeP TFET的性能以及应力对β-tellurene TFEF性能的影响.计算结果显示,对于β-tellurene TFET,其开关比可达到10,并且SS低于60mV/dec.当对器件施加一定的应力,可以改善器件的性能.对于GeP TFET,由于其载流子迁移率具有各向异性,使器件在x方向的输运性能要优于y方向.并且其开关比可达到10,可以很好的实现器件的开与关.

关键词： TRANSPORT  

摘要： Ballistic transport characteristics of metal-oxide semiconductor field effect transistors (MOSFETs) based on anisotropic two-dimensional materials monolayer HfS2 and phosphorene are explored through quantum transport simulations. We focus on the effects of the channel crystal orientation and the channel length scaling on device performances. Especially, the role of degenerate conduction band (CB) valleys in monolayer HfS2 is comprehensively analyzed. Benchmarking monolayer HfS2 with phosphorene MOSFETs, we predict that the effect of channel orientation on device performances is much weaker in monolayer HfS2 than in phosphorene due to the degenerate CB valleys of monolayer HfS2. Our simulations also reveal that at 10 nm channel length scale, phosphorene MOSFETs outperform monolayer HfS2 MOSFETs in terms of the on-state current. However, it is observed that monolayer HfS2 MOSFETs may offer comparable, but a little bit degraded, device performances as compared with phosphorene MOSFETs at 5 nm channel length. (C) 2015 AIP Publishing LLC.