与硅基技术兼容的二维过渡金属硫族化合物电子器件

作为现代信息社会的物理基石,以硅基材料为核心的集成电路极大推动了人类现代文明的进程.但是,随着晶体管特征尺寸微缩逐渐接近物理极限,传统硅基材料出现了电学性能衰退、异质界面失稳等挑战,导致集成电路数据处理能力提升难、功耗急剧增加等问题产生.超薄二维过渡金属硫族化合物(transition metal dichalcogenides, TMDCs)具有表面平整无悬挂键、电输运性能优异、静电控制力强、化学性质稳定等优势,可有效解决上述问题,被认为是后摩尔时代集成电路的最具潜力候选材料之一.目前,二维TMDCs集成电路研究在多个关键领域均取得了突破性成果,但距离产业化应用仍需要克服一些挑战.本文着重介绍了二维TMDCs材料与电子器件在集成电路应用的各方面优势,系统阐明了二维TMDCs集成电路在材料控制生长、范德华界面优化以及器件设计构筑等方面的关键科学问题,提出了相应解决办法和应对措施,分析了二维TMDCs集成电路产业化进程中的综合性挑战,明确了“与硅基技术兼容”二维TMDCs集成电路发展路线的优势、可行性与突破方向.     

二维过渡金属硫族化合物的研究进展

二维过渡金属硫族化合物(transition metal dichalcogenides, TMDCs)是继石墨烯之后的新型范德瓦耳斯材料,由于其天然的二维特性以及强自旋轨道耦合作用(spin-orbital coupling, SOC),导致诸如金属-绝缘体转变、电荷密度波(charge density wave, CDW)、能谷电子学、非常规超导电性等新颖物理性质的出现,使得这类材料成为研究低维量子物理的又一理想平台.其中能谷电子学与拓扑超导已经成为近年来凝聚态物理前沿研究的热点方向.本文在综述TMDCs材料的结构与基本物理性质的基础上,重点介绍了最近发展的用于生长原子层厚度的TMDCs材料的熔盐辅助化学气相沉积方法、在Se掺杂的MoSexTe_(2-x)薄膜中实现的T_d相到1T′相再到2H相的结构相变与超导增强现象,以及在少层T_d-MoTe_2中发现的非对称性SOC作用引起的类伊辛超导现象.最后,展望了TMDCs材料的潜在应用与可能存在的拓扑超导.     

表面化学修饰调控无机二维纳米材料的磁性及其应用

无机固体材料中的电子自旋态是决定其磁学行为的核心因素,同时也是实现高效磁能转化和灵敏磁响应的重要基础.近年来,由于具有新奇自旋结构和维度降低带来的新奇量子态,二维纳米材料,特别是单层和寡层无机二维材料,其磁学性能引起了广泛研究,极有希望应用于下一代自旋电子器件中.二维纳米材料具有极高比表面积使得表面态非常重要,因而化学修饰策略能应用于调制其本征物性.本文概述了近年来发展的利用表面化学修饰对无机二维纳米材料本征磁性调控的系列进展,并基于此将该类材料广泛应用于磁电阻、磁热效应等.     

拉曼光谱技术在二维半导体光催化剂异质结研究中的应用

高活性光催化剂的设计是高效利用太阳能的有效手段，其中二维(2D)半导体光催化剂因其独特的物理化学性质，在光催化研究中有着较大优势。构筑异质结具有改变二维半导体能带结构、抑制光生载流子复合等作用，是一种高效的二维半导体光催化剂的设计方法。拉曼光谱技术因其探测时间短、可原位、无损检测以及样品制备简单等优点，在半导体材料研究中的应用逐渐增多。文章介绍了拉曼光谱技术的基本原理，并对近年来二维半导体光催化剂设计的有关研究进行整理，综述了拉曼光谱技术在二维半导体光催化剂异质结研究中的应用，为新型二维半导体光催化剂的设计奠定了技术基础。     

二维过渡金属二硫属化合物的应力调控

二维过渡金属二硫属化合物(TMDs)因其优异的性质,在光电器件、能量存储、催化等领域具有重要的应用价值.调节材料的晶格结构可以有效地调控其性质并扩展其应用领域,而应力调控是一种高效调节二维TMDs晶格结构与性质的重要方法.在过去的几年中,研究人员不断丰富应力调控二维TMDs的策略,拓展其在柔性光电器件、传感器、催化以及储能等领域的应用.本文主要综述了应力调控二维TMDs结构的各种策略、性质的调控效果以及在器件中的应用,展望了应力调控二维TMDs的发展趋势,并指出了未来研究中存在的挑战.     

二维材料异质结的可控制备及应用

二维材料异质结是由石墨烯、六方氮化硼、过渡金属二硫族化合物、黑磷等二维材料通过面内拼接或层间堆叠形成的,并由此可分为二维材料面内异质结和垂直异质结.二维材料面内异质结可以实现区域内载流子的特殊传输行为;而垂直异质结中的层间量子耦合效应能够导致新颖的物理特性,通过调节异质结构界面可调制器件的电学及光学性能.目前,随着电子器件、光电器件等对集成性、功能性的要求不断提高,二维材料异质结越来越多地受到研究者的关注,实现二维材料异质结结构(包括界面)的有效调控是构筑高性能、高集成器件的前提.本文主要对比各类二维材料异质结的制备方法,介绍主流的几类二维材料异质结基电子器件和光电器件的结构、工作原理和性能,展望有前景的新型制备方法,并指出二维材料异质结在实际应用中面临的挑战.     

利用氢键构筑超分子纳米结构

合成了一个核中心含有6个氮的diquinoxalino(2,3-2′,3′-a,c)- phenazine(DQP)分子, 并在大气条件下用扫描隧道显微镜(STM)研究了它在高定向裂解石墨(HOPG)表面的吸附和组装行为. 利用1,14-十四二酸作为桥成功构筑了二维有序的超分子纳米结构. 结果表明, 利用分子与分子之间的氢键可以来构筑与调控超分子纳米结构.     

过渡金属硫属化合物层间异质结构的可控制备和能源应用

随着石墨烯及其优异性质被发现以来,二维层状材料成为了材料科学领域研究的热点.二维层状材料每个片层内的原子通过化学键连接,片层间以弱范德华力相互堆垛.这种几何结构使得二维层状材料在晶格不匹配和生长方法不兼容的情况下,彼此之间仍然能够相互混合和匹配,从而衍生出很多范德华层间异质结构.这种异质结构利用了不同堆垛材料迥异的物理和化学性质,在电子、光电子器件、可再生能源储存和转化等领域得到了广泛的应用.需要指出的是,大面积、大畴区、可控制备本征层间异质结构是实现其实际应用的首要条件.本文总结了基于过渡金属硫属化合物(MX_2)和石墨烯(graphene)层间异质结构的最新研究成果,重点描述了MX_2/graphene和MX_2/MX_2层间异质结构的化学气相沉积(CVD)可控制备、新奇物理性质探索以及这两类异质结构在能源领域(电/光催化析氢反应)中的应用,并讨论了所存在的问题和未来发展方向.     

低维材料中的缺陷效应与电子态调控

低维材料具有大的比表面积、独特的电子结构和优异性能,在新能源、信息等领域具有重要的应用前景.低维材料所具有的特殊电子态可以突破传统半导体材料的尺寸极限,是后摩尔时代重要的候选材料.如何有效地调控低维材料电子结构以满足特定功能的需要是实现这一应用的关键.本文从一维纳米管和二维层状材料中的"缺陷效应"出发,对我们课题组在低维材料电子结构调控方面的研究结果进行综述,揭示空位和吸附原子等点缺陷以及表面修饰和内部填充等对材料的电子结构、电子自旋极化和激发态特性的调控机制与规律,为低维材料在新型电子器件等领域的应用提供依据.     

新型半导体深能级掺杂机制研究

掺杂技术是现代半导体技术的核心之一.本文介绍了荣获2017年国家自然科学奖二等奖的项目,重点围绕宽禁带半导体材料、二维半导体材料的能带结构和器件,系统地研究了几类重要的半导体材料的深能级掺杂机制,并进行性能预测.主要创新工作包括:(1)提出了钝化共掺杂方法,增加了TiO_2的光催化效率;(2)发现了空穴导致非磁半导体中d~0铁磁性的新的物理机制;(3)为克服小量子系统掺杂瓶颈,提出通过共掺杂方法在材料中形成杂质能带,降低杂质电离能以提高载流子浓度;(4)对两类新型的二维半导体材料,即过渡金属硫化物以及石墨炔,发现了一系列新奇的物理现象和掺杂机理.这些工作对半导体掺杂理论的发展、新一代纳米器件和第三代半导体器件的结构设计以及性能预测将起到重要的指导作用.     

面向微电子应用的二维过渡金属硫族化合物制备进展

二维原子晶体材料所独有的结构特性带来了诸多优异的性质.与石墨烯相比,二维过渡金属硫族化合物(TMDs)拥有不同大小且可调控的带隙,在微电子和光电器件领域有着广阔的应用前景.本文对二维TMDs材料"自上而下"和"自下而上"的制备方法进行了总结,对比了机械剥离、液相剥离和化学气相沉积等常见制备技术,并归纳了各自的优缺点.同时基于未来晶圆级二维TMDs器件,重点介绍了化学气相沉积法及其面向应用需要解决的问题.最后总结了二维TMDs材料在微电子器件应用中的研究进展.     

二维半导体材料的生长和光电性能研究

二维过渡金属硫族化合物纳米材料由于是不同带隙的半导体,同时有些在地球上储量丰富,受到人们广泛的关注.在本文中,介绍了用于二维材料场效应晶体管制备的光刻图形转移技术.该方法可以低成本、简单、有效地获得晶体管,同时对二维材料的损伤较小,可以获得高性能的二维材料晶体管;其次,介绍了Co掺杂MoS_2双层纳米片的生长及电学输运研究,可以通过控制生长过程中硫的浓度来改变纳米片的形貌,随着温度的升高,最终可以获得CoS_2/MoS_2六边形结构,电学测试表明Co掺杂MoS_2双层纳米片显n型,而CoS_2/MoS_2六边形结构具有很高的电导率;还介绍了垂直双层SnS_2/MoS_2异质结的气相生长及光电性能研究,这种异质结具有很大的带阶,能带结构呈现Ⅱ型,在异质结区域,出现了强烈的光致发光谱淬灭,这种异质结与相应的单体材料相比,具有增强的光电性能.最后,对二维材料的未来研究进行一些展望.     

二维材料中的缺陷及其拓扑、几何效应

晶体材料中的缺陷会引发局部的形变与应力,从而对材料力学性质、输运行为等物理特性产生影响,这在低维材料中尤为显著.近几年来在石墨烯等二维材料的相关研究中发现了多种类型的缺陷,这些缺陷对其材料性能具有一定的调控功能,且与块体材料中的行为有一定区别,因而其物理机制值得探究.本文将介绍相关的研究进展,特别是缺陷在影响材料行为时的几何与拓扑效应,并讨论其在二维材料晶体生长、低维结构材料设计等方面的意义.     

面向二维半导体电学特性调控的缺陷物理评价新方法

<正>吉林大学电子科学与工程学院集成光电子学国家重点实验室孙洪波教授课题组的李贤斌副教授、博士生王丹与美国伦斯特理工学院张绳百教授开展合作,针对二维材料缺陷性能评价困难,推演出真空背景电荷与二维体系中带电缺陷间的库伦作用数理关系,在此基础上提出修正新方法,并成功用于氮化硼等二维半导体中本征缺陷、杂质对材料导电性影响分析.该研究以"Determination of for-     

石墨烯的组装和织构调控:碳功能材料的液相制备方法

石墨烯是sp2杂化碳质材料的基本结构单元,为构筑具有特定结构和功能的碳质材料带来新的契机.通过石墨烯/氧化石墨烯的液相组装和组装体织构的二次调控可以实现新颖碳功能材料的可控制备,这种液相制备方法实现了碳结构单元在溶液相直接自组装构建固相碳质材料.相比较而言,碳功能材料制备的经典方法,如固相炭化方法侧重于材料宏观尺度的结构和形态调控(如炭纤维),气相沉积方法长于在微观层面实现材料结构控制(如碳纳米管);而这种基于石墨烯自组装的液相制备方法架起了从微观到宏观的桥梁,实现了材料介观织构的精确构建.结合本课题组近年来的研究工作,本文对与石墨烯相关的液相结构组装和组装体织构调控方面的研究进展进行了简要评述和前景展望,并着重介绍了几种新颖的石墨烯基多孔碳功能材料.     

二维材料限域水的扫描探针技术研究进展

界面水在自然界和工业发展中无处不在,其结构以及动态性质在众多的界面反应中起着重要的作用.因此,研究固体界面上水的微观结构和动态行为对理解水-固界面上诸多奇特的物理与化学性质十分关键.二维材料限域水是近年来新兴的一类界面水研究对象,即利用超薄的二维材料作为覆盖层,以扫描探针显微镜(scanning probe microscopy, SPM)技术对基底上的水分子进行表征,突破了长期以来SPM对界面水研究中易产生扰动的限制,开辟了在大气条件下研究界面水的新道路.本文简述了近年来SPM在二维材料限域水领域的研究进展,包括对限域水结构的成像、动态行为的探测、限域水的纳米操纵,以及限域水对上层二维材料性质的影响等,同时对二维材料限域水SPM研究面临的挑战和未来的研究方向,以及相关的应用前景作了展望.     

二维材料的拉曼光谱研究进展

二维材料因其独特的结构与性质引起了科学家们的广泛关注.拉曼光谱是一种特征性强、快速、无损的材料结构表征方法,其在低维材料的结构表征方面具有独特的优势.本文主要综述了拉曼光谱在二维材料结构表征方面的研究进展.首先,系统介绍了二维材料结构和拉曼选律基础知识,并分析了二维材料的典型拉曼特征;其次,通过对二维材料的典型拉曼特征峰的峰位和峰强的分析,讨论了拉曼光谱测定二维材料的层数、边缘手性/晶格取向、合金成分等;然后,介绍了缺陷、掺杂、外界应力以及热效应对二维材料拉曼散射的影响;最后,结合二维电荷密度波材料相变过程中的结构和拉曼特征的变化,讨论了拉曼光谱在相变性质研究中的应用.     

第四主族金属硫族化合物二维材料研究进展

第四主族金属硫族化合物具有丰富的晶体结构与组成.理论计算预测这类材料的二维晶体具有优异的热电、铁电、压电等性能.但是,目前这类材料的二维结构与性质研究的实验工作尚未系统展开.本文以这类材料二维结构与性质的关联性为切入点,系统展示了这类材料二维结构的合成进展,总结了其二维尺度上的独特性质,并对这类材料的发展前景及挑战进行了展望.     

低维金属卤化物的结构与光学调控:化学合成与物理高压

金属卤化物作为一类新型光电材料,在发光二极管、太阳能电池、光电探测器、激光器等领域具有重要的应用前景.其晶体结构丰富且易被调节,通过在分子尺度上的控制,可由三维(3D)逐渐扩展至二维(2D)、一维(1D)及零维(0D).与三维金属卤化物相比,低维金属卤化物通常展现出更大的结构扭曲、更强的量子限域效应以及显著提升的激子结合能,使其成为在照明和显示领域备受关注的高效发光材料.现阶段,低维金属卤化物结构和光学性调控在依赖于传统化学手段的同时,也能够通过高压等物理手段完成.与传统化学调控手段不同,高压技术能够在不改变化学组分的前提下,对金属卤化物的结构和性能进行连续调制.本文首先介绍了传统化学手段对金属卤化物的结构和光学性质调控,随后讨论了高压技术在金属卤化物结构演变和光学性质优化方面的应用,重点阐述了其结构与光学性能之间的内在联系.本文为发光低维金属卤化物的合理设计与精准合成提供了重要的思路.     

广义本征值并行计算及在晶体能带中的应用

本文提出一个利用“黑匣子”思想并行求解高阶广义矩阵本征问题的分块消去迭代算法,并在国家智能计算机研究开发中心研制的大规模并行计算机曙光1000上成功地解算了非线性光学晶体电子结构计算中的1572阶复共轭对称矩阵偶的广义矩阵本征问题,应用于中国科学院福建物质结构研究所陈创天等人发现的LBO非线性光学晶体电子结构分析,使用能带方法完成了该晶体电子态的自治计算.我们对新算法进行了迭代过程收敛性、误差分析、并行设计、并行效率的分析研究与数值实验.