这篇文章太“水”了 — 去离子水在层状半导体材料中的新玩法

海归学者发起的公益学术平台

分享信息，整合资源

交流学术，偶尔风月

常常听到科研界的大牛或者默默耕耘的小“蜗牛”说：某某组又在灌水，这种文章都能够灌上去？其实这些都是学术界茶余饭后的谈资而已，大牛有大牛的灌水车，小牛有小牛的洒水壶；大牛灌水可以滋润一大片科研沃土，小牛洒水有时也像清晨的雨露，别有一番小清新。今天小编给大家介绍一下最近的这篇很有意思的“水”文，看看人家是如何玩水的。

图片来自站酷

大家都知道石墨烯的发现掀起了二维材料的研究热潮，其实二维材料只不过是旧瓶灌新酒，都是从层状材料中发展出来的。其中层状半导体材料在未来电子器件和光学器件中都有着很大的应用潜力，许多层状半导体材料在维度降低到单层之后表现出丰富的特性，如能带结构和光学方面的变化，因此受到了广泛的关注。从电子器件应用的角度来看，层状半导体材料的最重要的性质在于，在单层或者薄层时，可以制备成具有高开关比（>10^7~8  ）的场效应晶体管（FET），从而为设计逻辑电路提供了可能。随着层数的增加，以Si/SiO₂为代表的常规背门电极（back gate）产生的电场将会明显弱化，FET器件中的开关比因此急剧的下降，从而无法实现对电流的控制。因此层状半导体材料未来的应用面临着两个巨大的挑战：（1）单层或薄层样品可以获得高的开关比，但是接触电阻很大，同时对材料制备过程中层数的依赖度高，需要严格控制材料的层数；（2）厚层半导体材料接触电阻小，但是目前缺乏可以得到高开关比的有效调控手段。近些年研究最多的是如何通过CVD方法可控的制备高质量单层样品，并且寻找如何减小接触电阻的方法，而厚层的层状材料国际上并没有期望在这种器件中得到高的开关比，因此关注度非常低。

中国科学院物理研究所的黄元副研究员和美国内布拉斯加大学林肯分校的Peter Sutter教授及其合作者，意外的发现通过用去离子水做顶门电极介电材料，可以在厚层的层状半导体材料器件中获得极高的开关比，更为重要的是，器件性能得到极大改善并且此方法是具有普适性的。

平日里我们用的水都导电的，从图示（图1）来看，器件里有水，这明显是短路了，如果你这样考虑就错了，由于科学家采用的水不是一般的水，而是去离子水，其电阻率大于0.5 MΩ•cm（兆欧•厘米），这样在样品表面很轻易的制造了高介电层，并且此次制备的样品是厚层的，这点改变就极大的降低了器件制造难度。

图1. 厚层的SnS₂场效应晶体管。（a）是器件的示意图，（b，c）是SiO₂背门电压调控下的I-V 曲线，（d）是去离子水作为门电极时的I-V曲线。

通过测试，研究人员发现背门电极对于厚层材料的调控，其开关比非常低，并且需要很大的门电压才能实现（图2 b）。而对比用去离子水做顶门电极（top gate）的情况，其调控的开关比可以提高到十万到百万量级，而且只需要很小的门电压就得以实现。同时，水做顶门电极的条件下，器件的亚阈值摆幅为80mV/dec，非常接近理想值。（图2 d）

图2. 厚层MoS₂和黑磷的场效应晶体管，左侧两幅图是用300nm SiO₂作为门电极介电材料，而右侧是用去离子水作为介电层进行的调控。

黄元副研究员与两位研究生吴良妹和许宏等还在更多的层状半导体材料中进行了器件测试，通过对MoS₂、BP、SnS₂的背门电极和水门电极的一些输运测量，在水做顶门电极材料的器件中，厚层的半导体材料都可以获得非常高的开关比（图2），证实了水门调控的普适性。

这篇非常“水”的文章，为层状半导体材料的器件应用提供了新的思路，首次证明在厚层的半导体材料中也可以得到极高的开关比，该工作发表在2018年7月最新一期的ACS Appl. Mater. Interfaces上：Thick Layered Semiconductor Devices with Water Top-Gates: High On−Off Ratio Field-Effect Transistors and Aqueous Sensors ,DOI:10.102/acsami.8b05932。

第一作者为中科院物理所黄元副研究员，合作者还包括美国内布拉斯加大学林肯分校的Peter Sutter和Eli Sutter教授，中科院物理所鲍丽宏副研究员，周兴江研究员，高鸿钧院士。

点击左下角“阅读原文”查看论文原文。

扩展阅读

 

本文系网易新闻·网易号“各有态度”特色内容

媒体转载联系授权请看下方