低维WTe2和GaTe材料的微纳器件加工及其电学和光学性质研究

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近年来,低维材料的物理性能研究在国内外掀起了热潮。尤其是在以石墨烯、过渡族金属硫化物、黑磷、硒化铋等为代表的层状材料中,涌现了一批新颖的物理特性。其中WTe2作为过渡族金属硫化物的一员,由于具有非饱和磁电阻、高压下出现超导、线性磁电阻、各向异性磁电阻而备受关注,GaTe因为具有非常高的光响应速率、大小适宜的带隙和良好的输运特性等特点,从而在光电子器件、辐射探测器及太阳能电池领域极具应用研究价值。但是无论是WTe2还是GaTe都有较明显的环境不稳定性,这无疑制约了他们在电子和光电领域的应用。通过助溶剂的方法成功制备出WTe2的块体材料,表征了块体性能。并通过机械剥离得到了少数层和单层材料,基于此成功制备了 WTe2的纳米器件,并进行了一系列低温输运性能测试。研究发现,WTe2的场效应曲线表明其具有微弱的门电压可调性,缺陷在少数层WTe2纳米器件中会诱发金属-绝缘体转变,并伴随磁电阻从抛物线到线性再到弱反局域化的转变。通过对其微分电阻测试发现,少数层WTe2纳米器件在低温下会出现库仑带隙,并且该库仑带隙会受温度及磁场的调控。利用光学显微镜、原子力显微镜、扫描电子显微镜以及拉曼光谱仪系统地研究了少数层的WTe2纳米片的环境不稳定性,揭示四层的WTe2纳米片在空气中的性能的保持时间为62分钟。进一步对WTe2随厚度、温度、激光波长变化进行了拉曼光谱的测试,结果证明在该系统中并不存在强烈的电子-声子耦合或者声子-声子耦合。此外,利用高分辨透射电镜,对新鲜剥离的少数层WTe2薄片以及该样品在空气中200 ℃加热5分钟后进行对比,发现新鲜样品具有明显的晶格特征,加热后薄区出现非晶化现象,但前后的能量色散谱表明,样品都不含氧元素,排除了氧气或者水与样品发生反应的可能性。从而首次阐明了WTe2奇特的磁电阻和缺陷之间的关系。成功制备出高质量的单斜结构的GaTe块体材料,在实验上观测到单层及双层GaTe的拉曼光谱。光致发光谱的研究发现GaTe块体的能隙为1.655 eV,且随着入射激光能量的增大,GaTe块体的能隙逐渐减小,少数层的能隙比块体材料要大,在1.675 eV左右。系统的研究了随层数变化的拉曼光谱,同时利用偏振拉曼初步表征了 GaTe的面内各向异性,结果表明在GaTe当中存在明显的面内光学各向异性。对覆盖有BN保护样品的器件的电学测试发现,GaTe显示典型的p型半导体特征,相比于没有覆盖保护层的曲线,数据变得平滑且电流密度大大提高。Ⅳ曲线呈现非常好的线性关系,符合欧姆定律的描述,说明存在良好的欧姆接触。这些基于GaTe的光学以及电学的研究为其在光电领域的应用提供了很好的指引作用。
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