少層二硫化鉬:晶體結構及能帶結構,物理性能,谷電子學,壓電性,超導轉變,套用,電晶

少層二硫化鉬是過渡金屬族硫化物家族中研究最為廣泛的二維材料之一，二硫化鉬是一種層狀材料，層內是以結合力強的共價鍵或離子鍵結合而成，而層與層之間則是依靠結合力較弱的范德華力結合在一起，因而能夠輕易的使用外力來打破層間束縛，成為厚度較薄的少層二硫化鉬。

少層二硫化鉬是典型的半導體材料，帶隙寬度在1.2-1.9eV之間，具有優異的電學、光學特性，在材料學、自旋電子學、微納加工、半導體器件、等方面具有重要的套用前景。

基本介紹

中文名：少層二硫化鉬
外文名：Few layers Molybdenum sulfide
化學式：MoS2
套用領域：物理、材料、電子信息、計算機等
帶隙：1.2-1.9eV

晶體結構及能帶結構,物理性能,谷電子學,壓電性,超導轉變,套用,電晶體,感測器,光電器件,

晶體結構及能帶結構

MoS₂是過渡金屬族硫化物（TMDCs）家族中研究最為典型的一種材料。單層的MoS₂具有三個原子平面，中間的Mo原子平面將兩個六角邊平面的S原子隔開，相鄰層與層之間依靠微弱的范德華力結合。

根據堆垛次序以及Mo原子的配位MoS₂可形成三種形態的塊體晶體結構，分別為六方結構的2H相，斜方六面體結構的3R相和正方結構1T相，其中2H相與3R相為穩態的三稜柱型半導體，1T相為亞穩態的八面體型金屬。2H相為MoS₂最穩定存在的一種形態，3R與1T相均可通過加熱或者微波輻射轉變為2H相。2H相的MoS₂在結構上是以兩層為單位進行周期性排列，層數為奇數時，2H相MoS₂處於空間反演對稱性破缺狀態，層數為偶數時則為中心對稱狀態，因此2H-MoS₂是科學界中研究最為廣泛的。

相比於石墨烯，MoS₂結構中不存在空間反演對稱，具有非零的天然帶隙，且MoS₂的電子能頻寬度可通過層數的變化進行調節，使得MoS₂在微電子即光電子器件領域中存在很大的發展空間。MoS₂的能帶結構與Si相似，塊體的MoS₂是具有~1.2eV的間接帶隙的間接半導體

，從位於Γ的價帶頂躍遷至Γ與K之間的導帶底。由於布里淵區的K處的直接激子躍遷能幾乎不會隨著厚度的變化而變化，但具有間接帶隙的Γ處的躍遷能會隨著厚度的降低單調增加，因此當MoS₂層數的不斷降低的過程中，系統的帶隙寬度隨之不斷增加。直至單層時，Γ處的間接躍遷能過高致使MoS₂變為K處的直接帶隙半導體，帶隙寬度在1.8~1.9eV之間。

物理性能

谷電子學

單層MoS₂的第一布里淵區也是一個六角形，其能帶結構在6 個頂點處有6 個能谷。MoS₂晶體結構具有三重旋轉對稱性，使得其不相鄰的3 個谷是等價的。並且，由於空間反演對稱性的破缺，MoS₂相鄰的兩個谷並不簡併。因此，我們將6 個能谷分成兩類，分別為K和K'谷。K和K'谷是通過時間反演操作聯繫起來的，故K谷和K'谷中的載流子在電子自旋、軌道角動量和動量等方面有著不同的特徵，此類時間反演下具有奇宇稱性質的物理量也將是實驗上區辨和表征兩類谷的最佳選擇。用來表征布洛赫帶中電子貝里相位效應的兩個物理量，貝里曲率(Ω， Berry curvature) 和軌道磁矩(m，orbital magnetic moment)，就滿足這樣的條件。當存在平行於二維平面的電場時，Ω作用於不同谷的載流子，會形成方向依賴於特定能谷的霍爾電流。m主要源於電子波包的自旋，兩類能谷處m的不同伴隨著圓偏振光的谷間選擇性吸收，即特定能谷吸收的光子角動量具有向上和向下兩種狀態，這與電子具有向上和向下自旋的兩種狀態相似，故能谷的這種特徵也常常被稱之為谷自旋。因此單層MoS₂同時具有特殊的圓偏振光的選擇性以及谷霍爾效應。

壓電性

晶體結構與對稱性決定了材料本身的物理性能及其對外部刺激的回響。具有壓電效應（Piezoelectric effect）的材料可以將外部的機械刺激轉換成為電信號，而壓電效應的產生則是起源於原子結構的反演對稱性破缺。塊體MoS₂的晶體結構是具有中心對稱的，因此塊體MoS₂無壓電回響信號。但當厚度降到少數層甚至單層時，奇數層的MoS₂具有空間反演對稱性破缺，偶數層時具有中心對稱性，2012年一篇文獻中就預言MoS₂以及其他多種二維層狀材料均具有壓電效應。

2014年王中林課題組首次在單層MoS₂中探測到壓電效應，以及壓電電子學效應（Piezotronic effect）。與理論預測完全一致，當對薄層MoS₂進行周期性拉伸與釋放的過程中，奇數個原子層厚度的片層產生震盪型的壓電電壓和電流，偶數層時無信號產生，且輸出值隨著MoS₂厚度的降低而增加。當應變方向改變90度後，壓電輸出由最大值變為零。單層MoS₂片材在施加0.53%的應力時，輸出15 mV的電壓和20 pA的電流。單層MoS₂器件的輸出曲線中表現出強烈的壓電電子學效應。

超導轉變

基於醫療機械、通信以及能量能源等方面的潛在套用，超導一經發現便引起了各界的廣泛關注，二維層狀材料的超導自石墨烯發現以來也受到越來越多的關注。2012年，Takagi等人首次報導了MoS₂的超導轉變。他們以MoS₂晶體作為半導體層，通過離子液體雙電層調控在9.4K時發生超導轉變。同年，Iwasa課題組在Science上報導了具有非常典型意義的MoS₂超導轉變。以機械剝離法所製備的厚度為20nm的少數層MoS₂為半導體器件前驅體，並將其轉移至具有高介電常數絕緣層HfO₂的Nb摻SrTiO₃基底上，使用離子液體對器件進行調控。結果顯示，載流子濃度達到6.8×10¹³cm^-2時MoS₂片材出現了超導現象，且在1.2×10¹⁴cm^-2時飽和，達到超導轉變溫度最高值T_c=10.8K。

套用

隨著電子元件的不斷向超薄輕量化發展，人們不斷尋找能代替類CMOS器件中傳統材料的新型材料。MoS₂以其1.2~1.9eV的間接到直接帶隙寬度、原子級厚度、以及表面光滑無懸鍵等特性，在電學、光學、半導體器件中都表現出了非常優異的性能，被各界認為是最具潛力的新時代材料。

電晶體

由於具有直接帶隙，單層MoS₂是一種很有前途的光電器件材料。近幾年來，MoS₂材料在器件方面取得了較大的突破。2011年Radisavljevic等用微機械剝離方法得到的單層MoS₂，然後組裝得到了以氧化鉿為柵絕緣介質的單層MoS₂場效應電晶體器件，其室溫條件下電子遷移率達到了200cm²V^-1S^-1，電流開關比高達10⁸。隨後，這種單層MoS₂場效應電晶體器件又被組合成邏輯積體電路，可執行基礎的邏輯操作。這使得人們有望得到比矽晶片更薄的一種新型的MoS₂晶片。

感測器

鑒於MoS₂材料在電晶體套用方面的優異表現，基於薄層MoS₂場效應電晶體的氣體感測器也擁有良好的套用前景。MoS₂用於的NO感測器和NO₂感測器都具有很高的氣體靈敏度。而基於單層和多層MoS₂的光電晶體具有良好的光敏感性，能用作光感測器。此外，單層MoS₂還可用於製備能有效探測葡萄糖和多巴胺的電化學感測器。

光電器件

除了在場效應電晶體中具有優異的輸運特性以外，少層MoS₂還可以套用於光電器件中，如存儲器、光電探測器、光致發光器件、太陽能及催化等方面。Sinitskii課題組採用鐵電材料PZT作為基底製備了MoS₂鐵電存儲器，該器件進行了“擦-讀-寫-讀”500個周期循環後發現ON/OFF始終保持在17，明顯高於石墨烯鐵電存儲器。褚君浩課題組製備出由鐵電材料操控的MoS₂光電探測器。該器件表面出了非常好的光電探測性能，最高光回響可達2570 AW，探測率為2.2×10 Jones，該器件紅外（0.85~1.55μm）光回響結果表明MoS₂光電探測器非常有望套用於光學通訊中。

少層二硫化鉬