WS2纳米管的电学和光电特性及其纳米器件研究

WS2纳米管的电学和光电特性及其纳米器件研究

陈清

纳米器件物理与化学教育部重点实验室，北京大学信息科学技术学院电子学系

　　与石墨烯类似，硫化钼和硫化钨等无机材料也具有层状结构，层间以范德瓦尔斯力相连，片层表面没有悬挂键，特别是它们本身具有半导体特性，还能吸收可见光。上述优异特性使它们成为研究热点^[1,2] 。块体硫化钨具有与太阳光能量相当的带隙和很高的光吸收系数，在太阳能电池领域有很重要的应用。1992 年R. Tenne 教授首次发现硫化钨纳米管^[3] ，之后该纳米管的机械、润滑性和光电特性都得到了深入的研究^[4] 。但到目前，对硫化钨纳米管电学的研究还很有限[5]。我们首次系统研究了单根硫化钨纳米管的电学特性和光电特性^[6,7] 。主要结果如下。

　　我们首次系统研究了单根硫化钨纳米管的电学特性。单根硫化钨纳米管器件的I-V 曲线表现为非对称和非线性，表明接触处存在势垒。利用金属-半导体-金属(MSM)模型[8]对测量结果进行拟合，得到了载流子浓度、迁移率、电导率和源漏接触的势垒高度等重要电学参数。发现单根硫化钨纳米管的迁移率与块体中的相当，而比之前报道的纳米管的结果高几个数量级。

　　我们进一步研究了水汽和氧气吸附对电学特性的影响。发现在空气中硫化钨纳米管的电导率和迁移率比在真空中小。分别在水汽、干燥的氧气和干燥的氮气环境中测量单根硫化钨纳米管的电学特性。发现水汽的吸附会降低纳米管的载流子迁移率和电导率。原因可能是水分子的吸附会形成载流子束缚中心或库仑散射中心。氧气也有类似的作用，但是对纳米管的影响比水汽小。氮气不影响纳米管的电学特性。对样品进行抽真空或在110 度烘烤的干燥处理，可以有效地使吸附在纳米管表面的水汽脱附，恢复单根硫化钨纳米管的电学特性。

　　还研究了硫化钨纳米管的光电特性。该纳米管制成的光电探测器对633 纳米和785 纳米的光有快的响应(响应时间至少在200 微米以内)，大的开关比和很高的外量子效率。

参考文献:

　　(1) Z. Y. Yin, H. Li, L. Jiang, et al., ACS Nano, 6 (2012): 74-80.

　　(2) L. T. Liu, S. B. Kumar, Y. Ouyang, et al., IEEE Trans. Elect. Devices, 58 (2011):3042-3047.

　　(3) R. Tenne et al., Nature, 360 (1992): 3.

　　(4) R. Tenne and M. Redlich, Chem. Soc. Rev., 39 (2010): 1423–1434.

　　(5) H. E. Unalan, R. Tenne et al., IEEE Transactions on Electron Devices, 55 (2008):2988-3000.

　　(6) C. Y. Zhang, S. Wang, L. J. Yang, et al., Appl. Phys. Lett., 100 (2012): 243101.

　　(7) C. Y. Zhang, Z. Y. Ning, Y. Liu, et al., Appl. Phys. Lett., 2012, in press.

　　(8) Z. Y. Zhang, K. Yao, Y. Liu, et al., Adv. Funct. Mater., 17 (2007): 2478–2489.