無掩膜直寫光刻系統助力二維材料異質結構電輸運性能研究，意大利科學家揭秘其機理！

期刊：ACS Nano

IF：18.027

文章鏈接: https://doi.org/10.1021/acsnano.c09131

【引言】

　　MoS₂是一種典型的二維材料，也是電子器件的重要組成部分。研究者發現，當MoS₂與石墨烯接觸會產生van der Waals作用，使之具有良好的電學特性，可廣泛應用于各類柔性電子器件、光電器件、傳感器件的研究。然而，MoS₂-石墨烯異質結構背后的電輸運機理尚不明確。這主要是因為傳統器件只有兩個接觸點，不能將MoS₂-石墨烯異質結構產生的電學輸運特性與二維材料自身的電學特性所區分。此外，電荷轉移、應變、電荷在缺陷處被俘獲等因素也會對器件的電輸運性能產生影響，進一步提高了相關研究的難度。盡管已有很多文獻報道MoS₂-石墨烯異質結構的電輸運性能，但這些研究主要基于理論計算，缺乏對MoS₂-石墨烯異質結構的電輸運性能在場效應器件中的實驗研究。

【成果簡介】

　　2021年，意大利比薩大學Ciampalini教授課題組利用小型臺式無掩膜直寫光刻系統- MicroWriter ML3制備出基于MoS₂-石墨烯異質結構的多場效應管器件，在場效應管器件中直接測量了MoS₂-石墨烯異質結構的電輸運特性。通過比較MoS₂的跨導曲線和石墨烯的電流電壓特性，發現在n通道的跨導輸運被抑制，這一現象明顯不同于傳統對場效應的認知。借助第一性原理計算發現這一獨特的輸運抑制現象與硫空位相關。

　　本文中所使用的小型臺式無掩膜直寫光刻系統- MicroWriter ML3無需掩膜版，可在光刻膠上直接曝光繪出所要的圖案。設備采用集成化設計，全自動控制，可靠性高，操作簡便，同時其還具備結構緊湊（70cm X 70cm X 70cm）、高直寫速度，高分辨率（XY：<1 μm）等特點。靈活多變的前沿光刻技術，有助于MoS₂-石墨烯異質結構的多場效應管器件的研發。

【圖文導讀】

圖1. 多場效應管器件結構。（a）通過化學氣相沉積法合成的石墨烯。（b）同樣用氣相沉積法合成的MoS₂。（c）多場效應管器件的光學照片。右側示意圖中AB為石墨烯作為接觸點的MoS₂場效應管，CD為MoS₂-石墨烯異質結構場效應管。

圖2. MoS₂-石墨烯異質結構的拉曼測量結果。（a）MoS₂被轉移到石墨烯前和轉移后的MoS₂拉曼測量結果。（b）MoS₂拉曼光譜中A_1g峰與E_2g峰的變化關系。圖中紅色實線代表MoS₂無應變時A_1g峰與E_2g峰間的變化關系，藍色實線代表無摻雜時A_1g峰隨E_2g峰的變化。（c）在MoS₂-石墨烯異質結構中A_1g峰的圖譜。（d）石墨烯未被MoS₂覆蓋和被覆蓋后的拉曼結果。（e）石墨烯拉曼光譜中2D峰與G峰間的關系圖。圖中紅色實線代表無應變時2D峰與G峰間的變化關系，藍色實線代表無摻雜時2D峰隨著G峰的變化。（f）在MoS₂-石墨烯異質結構中2D峰的圖譜。

圖3. MoS₂-石墨烯異質結構的光致螢光光譜（PL）測量結果。（a）有石墨烯時MoS₂的PL光譜（橘色），無石墨烯時MoS₂的PL光譜（藍色）。通過高斯擬合，獲得A和B激子吸收峰的位置。（b）MoS₂-石墨烯異質結構中A激子吸收峰的強度。（c）A激子吸收峰在MoS₂-石墨烯異質結構中的半高寬圖譜。

圖4. MoS₂的輸運特性。（a）室溫條件下，MoS₂在0-80V的VG范圍內的I-V特性曲線。（b）轉移特性顯示出強烈的遲滯。紅色箭頭表面掃頻方向，紅色虛線為場效應移動的預計值。其中插圖為測量器件的光學照片，電極用黑色圓點表示。

圖5. MoS₂覆蓋層對石墨烯的電子輸運的影響。（a，b）石墨烯上不同MoS₂覆蓋面積的器件光學照片。（c-g）石墨烯上不同MoS₂覆蓋面積的轉移特性，黑色覆蓋率0%，橘色48%，藍色 55%，黃色69%，紫色79%。

圖6. 硫空位對場效應的影響。（a）MoS₂-石墨烯界面的能帶結構和態密度。（b）不同門電壓條件下，場效應所導致的電子和空位的分布。藍色表示電子，紅色表示空位。（c，d）在不同門電壓條件下，MoS₂-石墨烯界面的側視圖以及硫空位（綠色）的位置。

圖7. 不同硫空位密度條件下，石墨烯導電性能計算值。

【結論】

　　Ciampalini教授課題組首先制備了MoS₂-石墨烯二維材料的異質結構，在此基礎上使用小型臺式無掩膜直寫光刻系統- MicroWriter ML3制備了多場效應管器件。通過對多場效應管器件的直接測量，發現了MoS₂覆蓋層對石墨烯電輸運性能的獨特抑制作用。為了更好地理解這一獨特電輸運現象，采用di一性原理的方法，計算了硫空位對石墨烯導電性能的影響。該工作為后續的石墨烯場效應電學及光電器件的研究和應用打下良好的基礎。同時，從文中也可以看出，課題組主要的優勢是能夠制備出基于MoS₂-石墨烯異質結構的多場效應管器件。在制備該器件過程中，需要及時修改相應的參數，得到優化的實驗結果，十分依賴靈活多變的光刻手段，小型臺式無掩膜直寫光刻系統- MicroWriter ML3可以任意調整光刻圖形，對二維材料進行精準套刻，幫助用戶快速實現器件制備，助力電輸運研究。

小型臺式無掩膜直寫光刻系統- MicroWriter ML3

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