on style="white-space: normal; line-height: 1.75em; box-sizing: border-box;">▲第一作者：罗夕艾
DOI：
https://doi.org/10.1021/acsami.1c19906
过渡金属硫属化合物，尤其是二硫化钼（MoS2），作为典型的二维原子晶体材料，因具有原子级厚度、独特的三明治晶体结构、可调的带隙宽度与电子结构等，表现出了优异的电学与光电性能，被广泛认为是在未来足以取代硅成为后摩尔时代的最重要半导体材料之一。有许多研究表明，不同层数与堆垛结构的MoS2可以展现出不同的电学与光电性质，然而，通常研究者们可以通过不加调控的化学气相沉积法（CVD）制备出MoS2单晶薄膜，但因其贝塞尔平面（Basal Plane）所呈现的化学惰性，难以实现不同层数及堆垛结构MoS2的可控制备。由此可见，能够可控地制备出不同的层数及堆垛结构的MoS2也是在提高半导体性能路上待攻克的主要问题之一。基于上述背景，本文对传统CVD进行了改良，通过引入NaCl，使其与氧化后钼箔反应生成MoOxCly来作为诱导MoS2生长的前驱体，实现了超过99.5%的AA堆垛结构MoS2薄膜，且其层数仅与生长时间相关的可控制备，并研究了其生长机理。在此基础上，我们构筑了一系列层数的AA堆垛结构MoS2光电晶体管，研究了不同层数AA堆垛结构的MoS2内建电场及外场的调控与不同光场下的光电性质。其高光响应率、高光探测率展示出了AA堆垛结构MoS2优异的光电探测性能。我们将电场与光场进行耦合，展示了光与电场对AA堆垛结构MoS2的协同调控机制，并实现了对其外量子效率以及光生载流子的调控。▲图1. AA堆垛结构MoS2的生长 （a-c）双层AA堆垛结构MoS2的光学显微镜图像；（d）双层AB堆垛结构MoS2的光学显微镜图像；（e）I/L与L的耦合关系，L为底层MoS2的尺寸，l为顶层MoS2的尺寸，插图为双层AA堆垛结构MoS2的光学显微镜图像；（f）AA堆垛结构MoS2薄膜的生长过程示意图。
▲图2. AA堆垛结构MoS2薄膜随时间增长的生长情况 （a，d，g）生长5、15、25分钟后MoS2的低倍光学显微镜图像；（b，e，h）在生长5、15、25分钟后得到的单层、双层、三层的MoS2薄膜；（c，f，i）生长5、15、25分钟后MoS2薄膜的层数统计情况。
▲图3. AA堆垛结构MoS2薄膜的表征 （a-b）四层AA堆垛结构MoS2薄膜的AFM形貌图；（c）五层AA堆垛结构MoS2薄膜的光学显微镜图像；（d）基于（c）中五层AA堆垛结构MoS2薄膜的拉曼（Raman）谱图，插图为平面振动峰E2g1与非平面振动峰A1g及其差值与MoS2层数的关系；（c）基于（c）中五层AA堆垛结构MoS2薄膜的光致发光（PL）谱图。
▲图4. 单层、双层、三层AA堆垛结构MoS2光电晶体管的电学与光电性质 （a）不同层数AA堆垛结构MoS2光电晶体管的转移曲线，插图为AA堆垛结构MoS2光电晶体管的光学显微镜图像；（b）三层AA堆垛结构MoS2光电晶体管的输出曲线；（c）三层AA堆垛结构MoS2光电晶体管在550 nm光照下不同光功率密度对应的转移曲线，插图为其迁移率与光功率大小的关系；（d）三层AA堆垛结构MoS2光电晶体管在550 nm光照下不同光功率密度对应的光响应率；（e）不同层数AA堆垛结构MoS2光电晶体管的最高光响应率与光探测率的对比；（f）本工作与其他文献的性能对比。
▲图5. 三层AA堆垛结构MoS2光电晶体管的源漏电流与功率密度间的关系（Ids∝Pθ） （a）550 nm光照时不同栅压下源漏电流与功率密度的函数关系；（b）不同层数的θ与栅压的关系曲线图。
▲图6. MoS2的光响应机理 （a-c）不同层数AA堆垛结构MoS2场效应晶体管的外量子效率（EQE）与功率密度以及栅压的关系；（d）电场与光场作用下AA堆垛结构MoS2的能带示意图。
综上所述，我们通过引入NaCl形成MoOxCly前驱体，诱导生长出了超过99.5% AA堆垛结构的MoS2薄膜，实现了仅通过时间即可控制其层数，研究了其生长机理，并构筑了基于不同层数AA堆垛结构MoS2的背栅型光电晶体管。我们从结果中发现，由于空穴陷阱态被电子载流子重新组合，使其即使在较高的栅压下，光相应也会随着栅压的增大而增大，表明其具有很强photogating效应，而与单层、双层AA堆垛结构的MoS2相比，三层MoS2具有更高的光响应率（978.14 A·W-1）以及更高的探测率（6.261013 Jones）。与此同时，我们还通过EQE图研究了光激发的原理，证实了相对于单层与双层MoS2来说，三层MoS2具有更加优异的可调性。本项工作也为今后研究过渡金属硫属化合物的可控生长以及光激发与构筑可调谐光电晶体管提供了更好的机会。王泽高，四川大学特聘研究员、博士生导师，四川大学百人计划，四川省特聘专家，四川省学术与技术带头人后备人选，于2014年获工学博士学位，随后在丹麦奥胡斯大学交叉多学科纳米科学中心进行博士后工作，于2018年入职四川大学材料科学与工程学院，担任正高级特聘研究员。课题组主要从事二维材料，如石墨烯、二硫化钼等新型电子信息材料的可控制备、元器件构筑以及表面界面研究，已在Advanced Materials、Advanced Functional Materials、ACS nano、ACS Applied Materials & Interfaces等期刊发表150余篇论文，获得15项授权发明专利，主持国家自然基金、教育部科技项目及省重点项目等6项项目。董明东，奥胡斯大学教授，先后主持及参与过丹麦自然科学基金、欧共体自然科学基金等20多个项目，是欧盟，瑞士，英国多个国家基金的专家评委。发表学术论文数百余篇包括2篇Nature，2篇Nature Nanotechnology，1篇Nature Chemistry，4篇Nature Communications等论文，总被引频次近万次。还曾参与组织美国化学会年会等重要国际会议，并超过30次在国际会议做大会邀请报告。学术兼职：英国皇家化学学会出版社Energ. Environ. Sci.客座编辑；美国化学会 ACS能源与未来会议，分会联合主席，纳米工具和生命科学纳米研究纳米分析联合主席；Computational and Structural Biotechnology Journal副编辑，Nanomaterials客座编辑；Nanosci. Nanotech.-Asia客座编辑；Nature group-Scientific Reports编委委员；RSCAdvances编委委员；Journal of Nanotechnology in diagnosisand treatment编委委员；Journal of Theoretical and Applied Nanotechnology副编辑；International Academy of Science、Engineer and Technology顾问委员；Journal of Semiconductors编委等。https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c19906
