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IVB族TMDs远程外延生长及其光电性能研究

过渡族金属二硫化物,合金化,远程外延,六方氮化硼

过渡族金属二硫化物（TMDs）因其层状结构、优异的光学和电学性能以及巨大的应用潜力引起研究人员极大的兴趣。相比于被广泛研究的第VIB族的TMDs，第IVB族的TMDs理论上有更高的室温载流子迁移率和更高的器件电流密度等优势。我们通过一步化学气相沉积法在蓝宝石衬底上外延生长出大面积、全组分可调的ZrS<sub>2(1-x)</sub>Se<sub>2x</sub>合金薄膜，其与衬底的外延关系被确定为ZrS<sub>2(1</sub><sub>-</sub><sub>x)</sub>Se<sub>2x</sub>(0001)[10-10]//蓝宝石(0001)[11-20]。ZrS<sub>2(1-x)</sub>Se<sub>2x</sub>合金的带隙随组分的变化从1.86到1.15 eV连续可调，且表现出明显的弯曲特性。基于ZrS<sub>2(1-x)</sub>Se<sub>2x</sub>的光电探测器对可见光具有灵敏的光响应，响应时间约为100 μs，且随着Se组分的减小，探测器性能显著提高。该工作为合成带隙可调的ZrS<sub>2(1-x)</sub>Se<sub>2x</sub>合金提供了一种有效方法，为设计基于TMDs的光电器件提供了极大的灵活性。<br />
远程外延作为一种非常有前景的外延技术，近年来受到了广泛的关注。我们在蓝宝石衬底表面引入单层h-BN，借助穿透h-BN层的蓝宝石衬底的晶格势场作用，实现了二维ZrS<sub>2</sub>薄膜的远程外延。由于ZrS<sub>2</sub>外延层受到较弱的界面散射和具有较高的晶体质量，基于远程外延的ZrS<sub>2</sub>光电探测器表现出最好的性能，其开/关比超过2×10<sup>5</sup>，响应率高达379 mA W<sup>-1</sup>。此外，同样在蓝宝石衬底上基于单层h-BN中间层实现了二维ZrSe<sub>2</sub>薄膜的远程外延，表明了二维h-BN中间层对远程外延的广泛适用性。本工作为制备单晶过渡金属二硫族化合物及其与h-BN异质结提供了一种有效的方法，在开发大面积二维电子器件方面具有很大的潜力。<br />