顶层氧化调控二维过渡金属硫族化合物光电探测性能研究.pdf

摘要

二维材料因其优异的光电性能受到科研界的广泛关注。其中，二维过渡金属硫族化

合物(2D-TMDCs)更是因为其光学带隙合适并且可调节、载流子迁移率高、比表面积大

等特点从众多材料中脱颖而出成为近年来纳米科学研究领域的热点，被广泛用于电子、

光学、生物、化学和催化等领域。基于能带工程设计二维材料范德华异质结拓展了电子

和光电子器件功能，例如垂直场效应晶体管、负微分电阻器件、存储器和光电二极管等。

另外，二维材料的超薄沟道可以在很大程度上降低暗电流，使光电探测器进一步实现低

功耗更轻便的光电探测性能，也为光电探测过程中温度依赖性较强的问题提供了解决方

案。然而，二维材料光电探测器的光响应速度和光电探测性不能同时兼顾的问题阻碍了

其进一步应用，目前需要一种合适的策略在不影响器件光响应特性的基础上降低器件的

暗电流提高器件的光电探测性能。另一方面，基于改变二维材料光电探测器电荷传输机

制的研究较少。综合以上问题本文工作主要内容如下：

第一部分，提出了紫外臭氧(UVO)氧化二维过渡金属硫族化合物(2D-TMDCs)顶层

调控其电学特性的策略。通过X射线光电能谱(XPS)及透射电子显微镜(TEM)截面分析，

TMDCs顶层氧化为非晶态过渡金属低价氧化物(MoO)。通过紫外光电子能谱(UPS)测试

x

发现，过渡金属低价氧化物提高了顶层材料的功函数，底层与顶层发生载流子转移从而

达到调控底层TMDCs沟道电学性能的目的。场效应载流子测试表明：n型MoS2沟道中

的载流子浓度从2.05×1012cm-3降低到6.15×1010cm-3，而p型WSe2沟道的载流子浓度从

1.71×1010cm-3增加到2.76×1012cm-3。反常于传统掺杂引起的迁移率降低的现象，顶部氧

化策略调控载流子浓度时不降低沟道材料的迁移率甚至使其略有提高，这是因为离子化

的杂质被限制在最上面的MoOx层，自由载流子被限制在底部沟道不发生电离杂质散射。

最后，基于这种策略实现了高光电探测性能和响应速度同时提高的光伏型光电探测器。

第二部分，提出基于紫外臭氧照射的顶层氧化策略调控二维过渡金属硫族化合物范

德华异质结(vdWHs)的光电探测性能。其中MoS2层被当作调控介质避免杂质离子引入

WSe2沟道，间接调控沟道材料的光电特性和电荷传输机制。通过光效应和顶层氧化均

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可调控电荷传输类型明显提高器件的光电探测能力，光暗比(1.9×10)和响应率

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(2.12×10A/W)都提高了4个数量级，探测率为1.25×10Jones提高了5个数量级。该策

略可以显著提高电子和光电子器件性能，这对研究其他二维材料异质结的电荷运输机制

提供了理论依据和方法。

关键词：二维过渡金属硫族化合物，范德华异质结，光电性能，电荷传输机制，顶层氧

化

ABSTRACT

Two-dimensionalmaterialshaveattractedalotofattentionfromtheresearchcommunitybecause

oftheirexcellentphotovoltaicperformance.Amongthem,2D-TMDCsstandoutfromthecrowdbecauseof

theirsuitableandtunableopticalbandgap,highcarriermobilityandlargespecificsurfacearea,etc.They

havebecomeahotspotinrecentyearsinnanoscienceresearchandarewidelyusedinelectronics,optics,

biology,chemistryandcatalysis.