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澳门银河在线官方网址 N07组供稿 第72期 2018年10月11日
北京凝聚态物理国家研究中心
转角二硫化钼/石墨烯异质结的垂直电导测量
  近年来,二维材料以其优异的电学、光学以及力学性质被广泛的关注和研究。得益于二维材料层状结构及弱层间范德华相互作用,不同的二维材料可以像乐高积木一样相互组合形成各种二维材料异质结。正如乐高积木有无穷种搭建方式,二维材料也可以组合出具有不同性能的二维材料异质结,这为器件应用和诸多基础物理现象研究提供了一个绝佳的材料体系。另外,通过调节二维材料异质结堆叠结构,二维材料异质结的性能可以进一步被改变,甚至产生许多新奇的物理现象。其中,二维材料异质结的堆叠转角调控作为一种重要手段,引起了二维材料研究领域的广泛关注。目前已经报道了有许多有趣的异质结堆叠转角调控现象,如:例如零转角石墨烯/六方氮化硼异质结的量子输运性质、转角控制下的石墨烯/六方氮化硼/石墨烯异质结共振隧穿、转角二硒化钼/二硒化钨层间激子形成、以及小转角(魔角)双层石墨烯中的莫特绝缘体转变和超导现象等等。因此研究堆叠转角对二维材料异质结性质的影响具有重大意义。
  澳门银河在线官方网址/北京凝聚态物理国家研究中心纳米物理与器件院重点实验室N07张广宇研究组发展了一种独特的、采用原子力显微镜原位操纵技术构建不同堆叠转角二维材料异质结的方法【参见: Phys. Rev. Lett. 116, 126101 (2016); Appl. Phys. Lett. 111, 263106 (2017)】。近日,N07张广宇研究组博士研究生廖梦舟与北京理工大学姚裕贵研究组博士研究生吴泽文合作,结合扫描探针技术和第一性原理计算,研究了不同堆叠转角调控下单层二硫化钼/石墨烯异质结的垂直电学行为。实验结果为理解堆叠转角对异质结性能的影响提供了重要信息。
  在前期工作的基础上,实现了一种通过原子力探针连续调控石墨烯上外延生长的单层二硫化钼,形成堆叠转角可调的异质结,并原位测量异质结的垂直电导的方法。研究发现单层二硫化钼/石墨烯异质结的垂直导电行为强烈依赖于异质结的堆叠转角,其垂直电阻随堆叠转角从0度到30度单调递增。30度堆叠转角异质结的垂直电阻大约是0度堆叠转角的5倍。第一性原理计算表明,不同堆叠转角下二硫化钼/石墨烯异质结垂直电阻的变化,是由于不同转角下隧穿电流通过硫化钼层的隧穿系数不同导致的。当堆叠转角从0度变化到30度时,隧穿系数逐渐减小。隧穿系数的变化是由不同堆叠转角下隧穿电流在二硫化钼层K空间上分布不同所造成的,最终影响了隧穿电流的大小。
  由于二硫化钼/石墨烯异质结在光电和气体传感领域具有广泛的应用潜力,同时石墨烯电极可以有效地降低二维过渡金属硫属化物的接触电阻。因此这一研究为调节二硫化钼/石墨烯异质结性能提供了引导,同时为利用石墨烯作为二维过渡金属硫属化物的接触电极提供了一种新的思路,对二维过渡金属硫属化物的电子和光电器件应用具有重要意义。相关工作发表在《自然-通讯》(Nature Communications 9, 4068 (2018))上。
  上述工作得到了国家重点研发计划(Grant No. 2016YFA0300904),中国科学院前沿科学研究重点项目(Grant No. QYZDB-SSW-SLH004),中国科学院先导B项目(Grant Nos. XDPB06 and XDB07010100),国家自然科学基金(Grant Nos. 51572289、61734001、11574029、11574361),科技部(Grants No. 2014CB920903)和中国科学院青年创新促进会(Grants No. 2018013)等基金的资助。
  文章链接:https://www.nature.com/articles/s41467-018-06555-w
图1. 原子力显微镜旋转二硫化钼/石墨烯异质结。a, 原理图。b-f,不同转角二硫化钼/石墨烯异质结。
图2. 堆叠转角调控二硫化钼/石墨烯异质结电学行为。a, 导电原子力显微镜图。b,不同堆叠转角二硫化钼/石墨烯异质结的电阻分布。c,d,0度和30度堆叠转角二硫化钼/石墨烯异质结隧穿系数热力分布图。e,计算的隧穿系数随堆叠转角的变化。
下载附件>> Nat.Commun.9,4068(2018).pdf
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