【摘 要】
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二维原子晶体的出现为在单个或几个原子层厚度极限下探索低维物理,以及为构建具有优异性能或者独特用途的功能器件开辟了新途径。原子层薄的二维原子晶体不仅具有高效的栅调控能力,而且可以有效避免短沟道效应,为微电子器件的进一步微缩化提供了新的可能性。另外,二维原子晶体具有无悬挂键的表面,可以通过堆叠两种或多种不同的二维原子晶体来制备具有原子级锐利、清洁界面的范德瓦尔斯异质结,从而有效抑制载流子散射,提升器件
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二维原子晶体的出现为在单个或几个原子层厚度极限下探索低维物理,以及为构建具有优异性能或者独特用途的功能器件开辟了新途径。原子层薄的二维原子晶体不仅具有高效的栅调控能力,而且可以有效避免短沟道效应,为微电子器件的进一步微缩化提供了新的可能性。另外,二维原子晶体具有无悬挂键的表面,可以通过堆叠两种或多种不同的二维原子晶体来制备具有原子级锐利、清洁界面的范德瓦尔斯异质结,从而有效抑制载流子散射,提升器件的性能。铁电共聚物聚偏二氟乙烯-三氟乙烯（P（VDF-Tr FE））薄膜具有稳定的β相结构、可靠的铁电性、独特的双稳态极化特性以及优异的介电性质和绝缘性质,被广泛应用于场效应晶体管的相关研究。本文选用二维Re S2、γ-In Se作为沟道材料,制备了以铁电P（VDF-Tr FE）薄膜为顶栅的二维原子晶体场效应晶体管及type-II型异质结器件,并系统研究它们作为光电探测器和非易失性存储器的性能。主要研究内容如下:1.构筑了以h BN为衬底、P（VDF-Tr FE）为顶栅介质层的Re S2场效应晶体管,通过施加负的栅极电压诱导P（VDF-Tr FE）介电层形成向上极化态,其下表面的负电荷积累增加了源、漏极间的Schottky势垒,抑制了Re S2沟道中的暗电流;极化P（VDF-Tr FE）介电层诱导产生的超强静电场降低了Re S2带隙。研究发现相比Si O2上构筑的Re S2场效应晶体管,P（VDF-Tr FE）/Re S2/h BN三明治构型器件,在零栅压下响应度从59.24 A·W-1提高到779.13 A·W-1,比探测率从1.02×1010 Jones提高到1.21×1012 Jones。动态光电流测试结果表明光电流的上升时间（tr）为1.3 ms,下降时间（tf）为1.8 ms,比同类器件缩短一个数量级。2.为了进一步提高器件的比探测率,构筑了以h BN为衬底、P（VDF-Tr FE）为顶栅介质层的In Se场效应晶体管。具有极化态向上的P（VDF-Tr FE）介电层与In Se沟道材料界面处的负电荷积累增加了源、漏极间的Schottky势垒,耗尽了n型In Se沟道中的本征载流子,从而将沟道中的暗电流抑制到～10-14 A量级;极化P（VDF-Tr FE）介电层诱导产生的超强静电场可有效降低In Se的带隙。得益于以上两个因素,实现了具有高于10~8的电流开关比、14250 A·W-1的光响应度和约为1.63×1013 Jones的比探测率的光电晶体管。相比同类二维原子晶体器件,其电流开关比至少高出三个数量级,响应度得到大幅提升。此外,由于极化P（VDF-Tr FE）介电层有效钝化In Se缺陷态,器件光电流的上升（tr）和下降（tf）响应时间分别为缩短为600μs和1.2 ms。3.构筑了基于Re S2/h BN的P（VDF-Tr FE）顶栅架构非易失性铁电存储器,研究表明铁电P（VDF-Tr FE）在电场调控下的可切换的两种取向极化态可作为逻辑存储单元,所制备的Re S2非易失性存储器可以脉宽1 ms、幅值为±25 V的脉冲进行连续写入和擦除操作,电流的写入/擦除比可达10~7,数据稳定的保持能力超过2000 s,可靠的耐久性超过2000个周期,且暴露大气10天之后,其存储性能变化可忽略不计。4.构筑了type-II型In Se/Re S2异质结,在内建电场的作用下空穴和电子分别流向In Se和Re S2,很大程度上延长了载流子的复合时间,从而将比探测率大幅提升至4.7×1013 Jones。为解决该异质结器件在光开关实验存在的关态电流逐渐增大的问题,引入石墨烯作为接触电极和衬底,实现了全开和全关的效果;然而,由于石墨烯的耦合作用,在零栅压下响应度和比探测率都有所下降。
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