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Ⅲ-Ⅵ族二维半导体的挠曲电效应与铁电器件应用研究

Ⅲ-Ⅵ族二维半导体的挠曲电效应与铁电器件应用研究

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作者：刘绪佳广州大学

学位级别：硕士

近年来,随着微机电系统(MEMS)和纳米电子学的不断发展,对小型化、高性能的机电耦合器件的需求变得越来越紧迫。具有广泛电子特性的二维半导体材料的出现为设计和配置下一代电子产品提供了极好的机会。其中一个新兴类别是Ⅲ-Ⅵ族单硫族... 详细信息

近年来,随着微机电系统(MEMS)和纳米电子学的不断发展,对小型化、高性能的机电耦合器件的需求变得越来越紧迫。具有广泛电子特性的二维半导体材料的出现为设计和配置下一代电子产品提供了极好的机会。其中一个新兴类别是ⅲ-ⅵ族单硫族化合物MX(M=Ga、In;X=S、Se、Te),二维MX半导体由于其独特的能带结构、有趣的光学和电学特性,最近吸引了广泛的研究,其中两个主要成员是硒化铟(InSe)和硒化镓(Ga Se)。与过渡金属二硫化物(Transition metal dichalcogenides,TMDs)相比,二维MX材料在光电子学、压电电子学、柔性电子学和传感器等领域显示出令人兴奋的应用前景,引起了研究人员广泛的研究。低维挠曲电效应作用显著,作为压电效应的增强与补充,可极大地提高二维压电半导体的压-电多场耦合能力,并丰富压电电子学的研究。聚焦于上述问题,本论文以原子级厚度的InSe和Ga Se为主要研究对象,探究了二维层状半导体的挠曲电效应和具有不对称电极的铁电器件的应用,具体研究结果如下:(一)通过纳米压痕仪图形化基底与干法转移制备了悬空结构的InSe和Ga Se,并分别对其进行了结构表征和挠曲电效应的研究。在弯曲的少层InSe和少层Ga Se悬空材料中获得了显著的有效平面外压电性能。与理论计算的压电系数相比,本论文成功在薄层Ga Se中测得了与压电活性材料InSe接近的具有应用潜力的有效面外压电响应系数。本文巧妙利用纳米压痕仪力学测量时的残余压痕进行图形化基底。电子束光刻虽然具有精度高和无需定制掩模版的优点,但是电子束光刻和干法刻蚀所用到的设备昂贵且图形化基底花费的成本高昂,故本文采用一种较为简便、成本低廉的方法图形化衬底。通过半径5μm左右的球形金刚石高载荷压头在Si O/Si基底上压出大约300 nm深的洞。并且为了改善基底表面与二维材料的粘附性、改善图形化后的平整性,采用磁控溅射法溅射30 nm的金膜到目标基底上。再使用机械剥离法制备出InSe和Ga Se薄层并将其覆盖在洞上方,并表征出悬空结构薄膜的形貌。镀金能够提高单硫族化合物与基底的结合力,既改善了平整度又实现了较高的成功率。本文结合悬空结构和压电响应力显微镜技术,实现了在原子级厚度InSe和Ga Se薄膜中引稳定可控的较大的局域应变,并通过Raman mapping测出了弯曲薄膜中的双轴应变分布。(二)基于γ-InSe的非对称电极铁电二极管。验证了γ-InSe的室温铁电性,制备了FLG/γ-InSe铁电二极管并使用探针台和半导体分析仪对其进行了电学性能测试,并研究了其原理。本工作基于已有的理论预言和PFM实验结果,验证γ-InSe的室温铁电性,并成功地实现了纳米级铁电畴结构的人工写入。为了探究二维γ-InSe纳米片在面外方向的铁电性应用于器件中的潜力,我们构建了一个基于γ-InSe的非对称电极铁电二极管。通过选择金属Ti/Au-石墨烯作为非对称电极,成功使得该器件的性能受γ-InSe铁电层极化状态来控制,在±7V的电压下具有明显的回滞行为,并且其开/关比可达到10量级。此外,该器件经过多次反复测试,表现出良好的重复性和耐疲劳能力。为提升二维铁电器件性能提供了一条新的道路。

关键词：二维材料 ⅲ-ⅵ族单硫族化合物挠曲电效应铁电二极管

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