【摘 要】
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二维过渡金属硫族化合物（Transistion Metal Chalcogenides,TMCs）具有超薄的平面结构、丰富的元素组成和性质,为未来集成电路的构建提供了可选择的新材料。二维材料作为结构基元经过面内拼接或层层堆叠形成异质/相结构,此类结构蕴含着新奇的物理现象,可用于构筑新功能器件,为解决二维器件加工和实用化所面临的问题提供新思路。然而,二维异质/相结构的构筑与器件研究还面临诸多挑战,主
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二维过渡金属硫族化合物（Transistion Metal Chalcogenides,TMCs）具有超薄的平面结构、丰富的元素组成和性质,为未来集成电路的构建提供了可选择的新材料。二维材料作为结构基元经过面内拼接或层层堆叠形成异质/相结构,此类结构蕴含着新奇的物理现象,可用于构筑新功能器件,为解决二维器件加工和实用化所面临的问题提供新思路。然而,二维异质/相结构的构筑与器件研究还面临诸多挑战,主要包括:如何在原子尺度上通过化学手段精确控制不同组分的排布,二维异质/相结构的组成、堆垛方式对电学输运性质有哪些有影响,如何通过设计制备异质/相材料来优化器件性能、实现二维晶体电子器件的无损加工与集成等。针对这一领域的关键科学问题,本论文以建立二维晶体异质/相结构的化学构筑方法为突破口,重点关注二维异质/相结构的组成、结构与其能带结构及性质的关联,在此基础上研究基于二维异质/相结构的器件制备与性能优化,提出了器件制备新策略并实现了二维晶体电子器件的初步集成。本论文包括以下三个部分:1.二维MoS2/WS2异质结构的控制合成与性质研究:针对生长过程中由于熵效应驱动易形成合金的挑战,发展了以WO3-x/MoO3-x核壳结构纳米线为前驱体制备MoS2/WS2异质结构的合成策略;系统地研究了二维MoS2/WS2异质结的结构、组成及性质间的关系;基于MoS2/WS2层间异质结的场效应晶体管性能优于单一组分,展示了异质结材料体系用于制备高性能器件的潜力。2.二维1T’/2H MoTe2异相结构的图案化制备与性质研究:针对热力学亚稳定相的合成难点,发展了以MoO2.0-2.5和MoO3为前驱体通过控制缺陷密度来实现2H-MoTe2和1T’-MoTe2薄膜原位生长的方法;利用光刻技术图案化前驱体实现了1T’/2H MoTe2异相结构的图案化生长,为集成电路的构建提供了图案化的金属性和半导体性的超薄单元,展示了异相结构用于构筑全二维器件的可行性。3.全二维器件的制备与集成方法研究:针对目前二维器件加工过程存在的材料损伤、接触不良及器件集成等问题,提出了材料合成与器件集成一体化的器件制备新策略,即通过一步化学反应完成沟道、接触、互连各部分材料的图案化制备,实现了二维器件的无损加工与集成;以MoTe2为核心材料制备了一系列高性能的原型器件:场效应晶体管、反相器、频率可调制的射频晶体管阵列、超短栅极晶体管、互连的多层器件和柔性器件等,展示了此策略用于构建未来集成电路的前景。
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