[实用新型]一种极化电场调控二维半导体能带结构

说明书

技术领域

本专利涉及一种极化电场调控二维半导体能带结构及制备方法，具体指一种基于铁电极化材料的剩余极化电场调控二维半导体能带结构。

背景技术

层状结构的二维半导体，如石墨烯、过渡金属硫化物等，由于独特的物理结构和光电性能，使它们在纳米电子学及纳米光子学等领域具备巨大的潜能。其中，二维半导体的能带结构丰富多样，波长范围可覆盖全波段[Nature Photonics 8,899(2014)]，使其在应用时具备非常多的选择性。然而，就单一二维半导体材料来说，其能带结构仍具备一定的局限性，如石墨烯的零带隙特点，导致其无法应用与逻辑电子器件中[Nature Physics 9,49(2013)]；而过渡金属硫化物的带隙通常在1-2eV之间，导致其在光电探测应用时只能响应可见光到近红外波段[Nature Nanotechnology 8,497(2013)]。因此，为了能够进一步优化二维半导体的性能，寻找一种方法能够有效地调控二维半导体的能带结构就显得尤为重要。对传统半导体材料来说，通常可以采用掺杂以及调节元素配比的方式等来实现能带调节。如硅可以通过高剂量的硼离子注入使硅的带隙增加325-750meV[Nature 410,192(2001)]；碲镉汞可以通过调节元素配比来调控其禁带宽度大小[Journal of Semiconductors 11,332(2001)][中国科学:数学5,515(1990)]；氧化锌可以通过与其它金属合金化来增加禁带宽度[Applied Physics Letters 72,2466(1998)]。而在对二维半导体的能带调控的研究中，除以上方法外还可以采用多种其它方式对其能带进行操控。改变二维半导体的层数，通过控制层数可以达到调控其能带结构的目的，如二硫化钼半导体，其单层材料的能带结构为直接带隙，具有1.8eV的禁带宽度，而体材料的能带结构为间接带隙，具有1.2eV的禁带宽度[Nanoscale 6,13283(2014)]。对二维半导体进行化学掺杂也可以获得一定的能带调控效果，如S.Tongay等通过对二硫化钼进行气体分子掺杂，观测到其能带结构产生一定的变化[Nano Letter 13,2831(2013)]。离子插层是改善二维半导体性能的一种新的方法，同样可以调节二维半导体的能带结构，如Jiayu Wan等人采用多种离子插层方法实现了对二维半导体的能带结构的调控[Chemical Society Reviews 45,6742(2016)]。对二维半导体表面施加应力也可以达到调节其能带结构的目的，如Yeung Yu Hui等人对三层二硫化钼在垂直方向上施加应力，观测到其光致发光光谱的峰值发生明显的移动，说明外加垂直应力可以也可以将二维半导体的能带进行调控[Acs Nano 7,7126(2013)]，同年，Hiram J.Conley等人对单层二硫化水平方向施加应力，观测到其光致发光光谱也产生了明显的移动，说明横向应力同样可以导致二维半导体的能带结构发生变化[Nano Letters 13,3626(2013)]。此外，还有一种常用的方法即对二维半导体施加外加电场来调控其能带结构，2009年，Yuanbo Zhang等人在对双层石墨烯施加超过100V的电压时，结果表明可以将双层石墨烯的带隙打开，有望使石墨烯应用于逻辑电子器件[Nature 459,820(2009)]；2011年，Ashwin Ramasubramaniam等人利用第一性原理计算，对过渡金属硫化物外加一垂直电场，可以将其带隙进行压缩[Physical Review B 84,205325(2011)]。上述诸多调控二维半导体能带结构的方法足以说明，通过人为的方式调控二维半导体的能带结构可以有效地改善材料性能，使其更好的应用于纳米电子以及纳米光电子器件中。

然而，基于以上调控二维半导体能带结构的方法基本都无法实现稳定的调控效果，而且对二维半导体的能带调节能力有限，此外还增加了许多额外能耗，或者操作繁杂，这些方法均不能最大限度地满足光电探测器，或者电子器件等的实际应用需求。为了有效地解决这一问题，本专利提出了一种极化电场调控二维半导体能带结构的方法。该方法将有机铁电聚合物与二维半导体结合，制备出金属-电介质-二维半导体结构的电容器器件，首先对器件施加外加电场使得有机铁电聚合物极化，然后再撤去外加电场，使二维半导体仅作用在铁电剩余极化电场下，该剩余极化电场即可以有效地调控二维半导体的能带结构，提高材料的性能。

发明内容

本专利提出了一种极化电场调控二维半导体能带结构，为二维半导体能带工程以及改善二维半导体的性能提供一种新的途径。