基于多层二硒化钨的高性能场效应晶体管的实验优化和理论模拟

doi:10.7503/cjcu20220113

摘要/Abstract

摘要：

采用微机械剥离法制备了基于不同厚度的高质量WSe₂纳米片的场效应晶体管(WSe₂-FETs), 研究了其性能的影响因素. 通过调控WSe₂纳米片及介电层的厚度、测试温度及退火处理等, 结合理论模拟分析, 获得了WSe₂-FETs的最佳电学性能. 最终, 基于7层WSe₂纳米片的场效应晶体管表现出最优异的电学性能, 室温下载流子迁移率可达93.17 cm²·V^?1·s^?1; 在78 K低温下, 载流子迁移率高达482.78 cm²·V^?1·s^?1.

关键词: 微机械剥离法, 二维材料, 二维过渡金属硫族化合物, 载流子迁移率, 开关比

Abstract:

The field-effect transistors（FETs） were prepared based on high-quality WSe₂ nanosheets of different thicknesses by mechanical exfoliation method and the influencing factors of their performance were investigated. By regulating the WSe₂ nanosheet and dielectric layer substrate thickness， testing temperature， annealing treatment， combined with theoretical simulation analysis， the best electrical performance of WSe₂-FETs was obtained. Finally， the obtained 7-layer WSe₂ nanosheets exhibit the most excellent electrical properties with carrier mobility up to 93.17 cm²·V^?1·s^?1 at room temperature and 482.78 cm²·V^?1·s^?1 at low temperature of 78 K.

Key words: Mechanical exfoliation method, Two-dimensional material, Two-dimensional transition metal dichalcogenide, Carrier mobility, On/off ratio

中图分类号:

O649

TrendMD:

张义超, 赵付来, 王宇, 王亚玲, 沈永涛, 冯奕钰, 封伟. 基于多层二硒化钨的高性能场效应晶体管的实验优化和理论模拟. 高等学校化学学报, 2022, 43(6): 20220113.

ZHANG Yichao, ZHAO Fulai, WANG Yu, WANG Yaling, SHEN Yongtao, FENG Yiyu, FENG Wei. Experimental Optimization and Theoretical Simulation of High Performance Field-effect Transistors Based on Multilayer Tungsten Diselenide. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(6): 20220113.

图/表 7

Fig.1 Optical photo(A) and SEM image(B) of bulk WSe2, SEM image(C), LRTEM image(D), HRTEM image(E) and SAED pattern(F) of WSe2 nanosheet and SEM image of WSe2-FETs(G) and elemental mapping images of W(H) and Se(I)

Fig.2 Wide?scan XPS spectrum(A), XPS spectra of W(B) and Se(C) of WSe2, XRD patterns of WSe2 before and after exfoliation(D)

Fig.3 Raman spectra of WSe2 nanosheets with different thicknesses(A), B2g1 peak enlargement of WSe2 nanosheets with different thicknesses(B), typical Raman spectra of monolayer WSe2 nanosheets(C), fluorescence spectra(D) of WSe2 with different thicknesses, band gap of WSe2 nanosheets as a function of thickness(E)

Fig.4 Carrier mobility(A) and average carrier mobility(B) of WSe2?FETs device as a function of WSe2 thickness, transfer characteristics curves of WSe2?FETs at different dielectric layer thicknesses(C), before and after annealing(D), at different test temperatures(E) and transfer characteristics curves(F) at different test temperatures in logarithmic coordinatesIQR: Interquartile range.

Fig.5 Transfer(A) and output(B) characteristic curves, AFM image(C) and the height profile(D) of the WSe2?FETs device

Fig.6 Side view and top view of 7?layer WSe2@Ti supercell(A), band structures of the intrinsic 7?layer WSe2(B) and 7?layer WSe2@Ti(C)

Table 1 Effective mass(m*) and carrier mobility data( μ2d) for the WSe2@Ti system

Item	Effective mass， m^* /m₀	Carrier mobility， μ_2d/（cm²·V^?1·s^?1）
Electronic（m_e^*）	1.18	102.64
Hole（m_h^*）	1.18	125.19

参考文献 42

1	Islam Z.， Haque A.， Kozhakhmetov A.， Robinson J.， J. Electron. Mater.， 2020， 49（6）， 1—10
2	Huang H.， Wang L.， Lv Y.， Liu X.， Zou X.， IEEE Electron Device Lett.， 2021， 42（7）， 1081—1084
3	Kang W. M.， Cho I. T.， Roh J. K.， Chang H. L.， Lee J. L.， Nanosci. Nanotechnol.， 2019， 19（10）， 6422—6428
4	Hwangbo Y.， Lee C. K.， Kim S. M.， Kim J. H.， Kim K. S.， Jang B.， Lee H. J.， Lee S. K.， Kim S. S.， Ahn J. H.， Lee S. M.， Sci. Rep.， 2014， 4， 4439
5	Sahin H.， Tongay S.， Horzum S.， Fan W.， Zhou J.， Li J.， Wu J.， Peeters F.， Phys. Rev. B， 2013， 87（16）， 1106—1115
6	Chhowalla M.， Shin H. S.， Eda G.， Li L. J.， Loh K. P.， Zhang H.， Nat. Chem.， 2013， 5（4）， 263—275
7	Liu Y.， Duan X.， Huang Y.， Duan X.， Chem. Soc. Rev.， 2018， 47（16）， 6388—6409
8	Novoselov K. S.， Geim A. K.， Morozov S. V.， Jiang D.， Zhang Y.， Dubonos S. V.， Grigorieva I. V.， Firsov A. A.， Science， 2004， 306（5696）， 666—669
9	Zhang X.， Zhao F. L.， Wang Y.， Liang X. J.， Feng Y. Y.， Feng W.， Chem. J. Chinese Universities， 2020， 41（9）， 2032—2037
	张鑫，赵付来，王宇，梁雪静，冯奕钰，封伟. 高等学校化学学报， 2020， 41（9）， 2032—2037
10	Liang X. J.， Zhao F. L.， Wang Y.， Zhang Y. C.， Wang Y. L.， Feng Y. Y.， Feng W.， Chem. J. Chinese Universities， 2021， 42（8）， 2661—2667
	梁雪静，赵付来，王宇，张义超，王亚玲，冯奕钰，封伟. 高等学校化学学报， 2021， 42（8）， 2661—2667
11	Tan M.， Zhang L.， Liang W.， Acta Phys.⁃Chim. Sin.， 2019， 35（4）， 385—393
12	Wang G.， Hou C.， Long H.， Yang L.， Wang Y.， Acta Phys.⁃Chim. Sin.， 2019， 35（12）， 1319—1340
13	Das S. R.， Wakabayashi K.， Tsukagoshi K.， Dutta S.， Sci. Rep.， 2020， 10（1）， 21737
14	Cao W.， Kang J.， Sarkar D.， Liu W.， Banerjee K.， IEEE Trans. Electron. Devices， 2015， 62（11）， 3459—3469
15	Elias A. L.， Perea⁃Lopez N.， Castro⁃Beltran A.， Berkdemir A.， Lv R.， Feng S.， Long A. D.， Hayashi T.， Kim Y. A.， Endo M.， Gutierrez H. R.， Pradhan N. R.， Balicas L.， Mallouk T. E.， Lopez⁃Urias F.， Terrones H.， Terrones M.， ACS Nano， 2013， 7（6）， 5235—5242
16	Allain A.， Kang J.， Banerjee K.， Kis A.， Nat. Mater.， 2015， 14（12）， 1195—1205
17	Zhou J.， Lin J.， Huang X.， Zhou Y.， Chen Y.， Xia J.， Wang H.， Xie Y.， Yu H.， Lei J.， Wu D.， Liu F.， Fu Q.， Zeng Q.， Hsu C. H.， Yang C.， Lu L.， Yu T.， Shen Z.， Lin H.， Yakobson B. I.， Liu Q.， Suenaga K.， Liu G.， Liu Z.， Nature， 2018， 556（7701）， 355—359
18	Zhang W. X.， Huang Z. S.， Zhang W. L.， Li Y. R.， Nano Research， 2014， 7（12）， 1731—1737
19	Liu L. T.， Kumar S. B.， Ouyang Y.， Guo J.， IEEE Trans. Electron. Devices， 2011， 58（9）， 3042—3047
20	Fang H.， Chuang S.， Chang T. C.， Takei K.， Takahashi T.， Javey A.， Nano Lett.， 2012， 12（7）， 3788—3792
21	Liu W.， Kang J.， Sarkar D.， Khatami Y.， Jena D.， Banerjee K.， Nano Lett.， 2013， 13（5）， 1983—1990
22	Perdew J. P.， Burke K.， Ernzerhof M.， Phys. Rev. Lett.， 1998， 80（4）， 891—891
23	Hammer B.， Hansen L. B.， Norskov J. K.， Phys. Rev. B， 1999， 59（11）， 7413—7421
24	Blochl P. E.， Phys. Rev.， B： Condens. Matter.， 1994， 50（24）， 17953—17979
25	Kresse G.， Joubert D.， Phys. Rev. B， 1999， 59（3）， 1758—1775
26	Monkhorst H. J.， Pack J. D.， Phys. Rev. B， 1976， 13（12）， 5188—5192
27	Pfrommer B. G.， Cote M.， Louie S. G.， J. Comput. Phys.， 1997， 131（1）， 233—240
28	Zheng Y.， Xiang D.， Zhang J.， Guo R.， Wang W.， Liu T.， Loh L.， Wang Y.， Gao J.， Han C.， Nano Res.， 2021， 14（8）， 2703—2710
29	Schutte W. J.， Boer J.， Jellinek F.， J. Solid State Chem.， 1987， 70（2）， 207—209
30	Zhao W.， Ghorannevis Z.， Amara K. K.， Pang J. R.， Toh M.， Zhang X.， Kloc C.， Tan P. H.， Eda G.， Nanoscale， 2013， 5（20）， 9677—9683
31	Adachi S.， J. Appl. Phys.， 1985， 58（3）， R1—R29
32	Wang Z.， Li Q.， Chen Y.， Cui B.， Li Y.， Flemming B.， Dong M.， NPG Asia Mater.， 2018， 13（7）， 703—712
33	Zhou X.， Hu X.， Jin B.， Yu J.， Liu K.， Li H.， Zhai T.， Sci. Adv.， 2018， 5（8）， 1800478
34	Yue Y.， Chen J.， Zhang Y.， Ding S.， Zhao F.， Wang Y.， Zhang D.， Li R.， Dong H.， Hu W.， Feng Y.， Feng W.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2018， 10（26）， 22435—22444
35	Wang Y.， Herron N.， J. Phys. Chem. C， 1991， 95（2）， 525—532
36	Masuda H.， Fukuda K.， Science， 1995， 268（5216）， 1466—1468
37	Tang Y.， Zhang J.， Zhong X.， Wang Q.， Zhang H.， Ren C.， Wang J.， Sol. Energy Mater Sol. Cells， 2019， 190， 272—277
38	Tang Y.， Zhou Y.， Zhong X.， Liu M.， Yan L.， Hu H.， Wang J.， Phys. Status Solidi， 2020， 257（5）， 961—976
39	Smoleński T.， Goryca M.， Koperski M.， Faugeras C.， Kazimierczuk T.， Bogucki A.， Nogajewski K.， Kossacki P.， Potemski M.， Phys. Rev. X， 2016， 6（2）， 021—024
40	Bardeen J.， Shockley W.， Phys. Rev. A（Coll Park）， 1950， 80（1）， 72—80
41	Resta R.， Phys. Rev. B， 1991， 44（20）， 11035—11041
42	Xi J.， Nakamura Y.， Zhao T.， Wang D.， Shuai Z.， Acta Phys.⁃Chim. Sin.， 2018， 34（9）， 961—976

[1]	余强敏, 张致远, 罗雨婷, 李洋, 成会明, 刘碧录. 金属性二维过渡金属硫化物的溶剂热合成及电催化析氢性能[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(2): 654.
[2]	王伟, 卢香超, 周立军, 鲁艺珍, 曹阳. 基于二维压电材料功能性器件的设计、构筑与性能研究[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(2): 595.
[3]	林生晃, 傅年庆, 鲍桥梁. 单元素二维材料及其衍生物作为电荷传输层在太阳能电池中应用的研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(2): 412.
[4]	陈晓煜, 于然波. 纳米二硫化钼的掺杂及催化电解水产氢的研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(2): 475.
[5]	邓亚茜, 吴志坦, 吕伟, 陶莹, 杨全红. 二维材料的凝胶化及电化学储能应用[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(2): 380.
[6]	辛伟闻, 闻利平. 二维材料用于渗透能转换的研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(2): 445.
[7]	史江维, 孟楠楠, 郭亚梅, 于一夫, 张兵 . 二维材料用于电催化析氢的研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(2): 492.
[8]	董其政, 翟锦. 基于二维材料的仿生纳流体通道在能量转化中的应用[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(2): 432.
[9]	陈明华, 李宏武, 范鹤, 李誉, 刘威铎, 夏新辉, 陈庆国. 二维过渡金属硫族化合物在超级电容器中的研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(2): 539.
[10]	解忱, 陈娜, 杨雁冰, 袁荃. 核酸适体功能化的二维材料场效应晶体管传感器研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(11): 3406.
[11]	张鑫, 赵付来, 王宇, 梁雪静, 冯奕钰, 封伟. 碲化锗场效应晶体管的制备及电学性能[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(9): 2032.
[12]	黄文娟, 候华毅, 陈相柏, 翟天佑. 化学气相沉积法制备InSe纳米片及其近红外光探测性能[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(4): 682.
[13]	张卫民, 冯宇, 刁开盛, 孙丽, 洪芳, 苏智兴, 胡玉平. 聚(茚并芴-三苯胺)的合成及性能[J]. 高等学校化学学报, 2013, 34(9): 2233.
[14]	王建军郭玉国万立骏. 质量比对基于CuInSe2/P3HT纳米复合材料光检测器件性能的影响[J]. 高等学校化学学报, 2011, 32(3): 726.