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上科大物質火狐體育APP薛加民組利用新方法實現半導體器件能帶結構原位觀測

時間:2021-11-02瀏覽:10設置

近日,火狐體育物質火狐體育APP薛加民課題組利用自主發展的接觸式掃描隧道顯微鏡(CMSTM)技術,簡單高效地實現了半導體異質結器件能帶的原位測量。這對人們進一步理解異質結中的一些新奇現象具有重要幫助。該成果發表于知名學術期刊ACS Nano


半導體器件的(de)能帶結構是決定其性能的(de)關鍵因(yin)素從第一個半導體三極管發明以來,七十多年間,研究人員一直利用能帶結構圖來解釋和預測器件的功能。然而這些能帶結構圖通常都是基于理論計算或定性推測。由于缺乏合適的實驗手段,其直接測量一直有著很大挑戰。雖然從原理上看掃描隧道顯微鏡(STM)具有探測材料能帶結構的能力,然而受限于其工作方式,傳統STM對于尺寸在微納米級別、工作在室溫下的半導體器件往往無能為力。


在本項(xiang)工(gong)作(zuo)(zuo)中(zhong),研究人員(yuan)改(gai)變(bian)了傳(chuan)統STM的(de)(de)工(gong)作(zuo)(zuo)方式,利用高質量(liang)絕緣材料氮化硼(peng)(hBN)來代(dai)替STM中(zhong)的(de)(de)真(zhen)空隧(sui)穿層,將探針和樣品(pin)之間的(de)(de)接(jie)觸力作(zuo)(zuo)為反饋機制(zhi),簡化了掃描隧(sui)道顯(xian)微鏡的(de)(de)要求,獲得了非常(chang)高的(de)(de)穩定性和靈活性,實現(xian)了室溫(wen)下的(de)(de)器件能帶測量(liang)。


圖片

左(zuo)圖(tu)(tu):CMSTM方法(fa)的(de)示(shi)意圖(tu)(tu)。它(ta)基于導電原子力(li)顯(xian)微鏡方法(fa),可以在室溫大氣下對(dui)器(qi)件(jian)進行研(yan)究。

右圖:利(li)用CMSTM測量(liang)到的MoS2/WSe2異(yi)質結器(qi)件的能(neng)(neng)帶(dai)結構(gou)圖,MoS2在接(jie)觸到WSe2之后發生了(le)顯(xian)著的電荷轉移,從而導(dao)致其能(neng)(neng)帶(dai)上移了(le)0.5 eV。其摻雜類型(xing)也從天(tian)然的電子型(xing)轉變為(wei)空穴型(xing)。由此可見CMSTM能(neng)(neng)得(de)到工作狀態下(xia)器(qi)件的納米級空間分(fen)辨(bian)和0.1 eV級能(neng)(neng)量(liang)分(fen)辨(bian)的能(neng)(neng)帶(dai)結構(gou)。


實(shi)現的關鍵在于探針與(yu)樣品之間的高(gao)質量納(na)米級厚度的隧穿(chuan)層。常(chang)見(jian)的三維(wei)絕緣(yuan)材(cai)料(liao)在厚度達到納(na)米級別(bie)后會出現很多(duo)問題,而該方(fang)法(fa)選用(yong)了(le)(le)二維(wei)絕緣(yuan)材(cai)料(liao)氮化硼(hBN),為實(shi)現高(gao)質量隧穿(chuan)提供了(le)(le)基(ji)礎。


如此巨大(da)的(de)變化在(zai)此前的(de)諸多研(yan)究(jiu)中(zhong)只(zhi)能通(tong)過(guo)間接的(de)手段進(jin)行推測(ce),而本研(yan)究(jiu)首次在(zai)實(shi)空間中(zhong)對一個工作狀態(tai)下的(de)器件直接進(jin)行了(le)探測(ce)。這項工作將為人們理解半(ban)導體異(yi)質結(jie)器件的(de)能帶結(jie)構與器件電子學(xue)性質之間的(de)關(guan)系提供新的(de)思(si)路。


薛加民課題組博士研(yan)究(jiu)生孫(sun)新祚(zuo)為(wei)論文第一作者。該研(yan)究(jiu)由上(shang)科(ke)(ke)大、日本國(guo)立材料研(yan)究(jiu)所(NIMS)、湖(hu)南(nan)大學、中(zhong)科(ke)(ke)院上(shang)海(hai)技術(shu)物理研(yan)究(jiu)所等多家單位(wei)合作,得到了(le)科(ke)(ke)技部重點研(yan)發計劃、國(guo)家自然火狐體育(yu)官方(fang)網站基金(jin)、中(zhong)科(ke)(ke)院先導(dao)項目(mu)等經(jing)費的支持。器件加工與測(ce)量(liang)得到了(le)火狐體育(yu)軟納米平臺、分析測(ce)試(shi)中(zhong)心各位(wei)老師的大力(li)協助(zhu)。


論文鏈接

http://doi.org/10.1021/acsnano.1c05491


排 版  鄧雅芝

編 輯  陳 蕾

高 瑄



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