二维过渡金属二硫化物层状材料的光电性质研究

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自2004年Geim组首次剥离发现单原子层石墨烯以来,有关二维材料的研究迅速席卷了整个物理学界,也标志着“二维材料时代”的到来。过渡金属二硫化物(TMDs)这一体系的材料属于二维材料的一个分支,该体系材料按照不同的原子排布可分为半导体性质的2H-TMDs材料、金属性质的1T-TMDs材料和具有拓扑性质的1T’-TMDs材料,因此在光电方面具有独特的物理性质,被认为是后摩尔时代的重要材料之一。本文主要针对TMDs的光电性质,进一步探索其应用价值,具体来说,包括以下内容:1.简单介绍了 TMDs的研究背景,基于TMDs的光电性质,简要介绍了这一体系材料目前在光学、光电、电学方面取得的研究进展,接着介绍了本文中涉及到的量子点等相关物理概念。2.介绍了 TMDs的样品制备、微纳加工及低温测量,包括:几种材料制备的方法、几种微米级定点转移技术、一系列微纳加工工艺、以及低温测量平台和测量系统的介绍。3.简要介绍了提高TMDs材料荧光发光增强的方法。在此基础之上,研究了不同偏振光下金颗粒对单层二硫化钼(MoS2)荧光发光的影响,并且观察到径向偏振光激发金颗粒与MoS2杂化体系要比普通线偏光对材料荧光发光增强有近两倍的提高。进一步,研究了不同间隙的gap plasmon对单层MoS2荧光发光的影响。最后,基于二维材料的缺陷发光,研究了常温下h-BN缺陷发光的单光子源性质,并取得了一定进展。4.针对影响TMDs材料光电性质的因素,重点介绍了金属与半导体材料接触时存在的肖特基势垒问题,以及材料本身的缺陷问题。为了优化这些问题,详细介绍了我们的设计方案:h-BN/graphite/WSe2/h-BN三明治结构,并探究了单层二硒化钨(WSe2)p-n结的整流、光电流特性,以及光电响应强度和外量子效率。接着,为了促进单层WSe2材料的光电转化效率,我们研究了等离激元阵列与三明治结构的杂化器件,并观察到单层WSe2 p-n结光电流及光电响应强度的进一步提高。5.基于长期以来在金属与半导体搭接方面取得的经验,我们观测到WSe2良好的场效应管性质:较高的开关比、电子迁移率等等。接着,我们在WSe2材料上首次制备出门控量子点,并在其基础上观察到库仑菱形和库伦振荡等物理现象,展现出良好的栅极可调控量子点。进一步,我们介绍了TMDs超导约瑟夫森效应。针对具有拓扑性质的1T’-TMDs材料,率先制备出MoRe-MoTe2-MoRe超导约瑟夫森结,并取得一定的成果。本文的主要创新点有:1.在实验上采用了不同偏振光研究金颗粒与MoS2杂化结构,并发现采用径向偏振光激发相比于普通线偏光激发,在单层MoS2荧光发光增强上,有近两倍的提高。进一步研究了不同间隙的gap plasmon对单层MoS2荧光发光增强,发现了只有在一定间隙大小时,等离激元电场与单层MoS2的相互作用最强。2.基于二维材料的缺陷发光,研究了常温下h-BN缺陷的单光子源性质,并取得了一定进展。3.为了优化金属与半导体材料接触时存在的肖特基势垒问题,我们设计了h-BN/graphite/WSe2/h-BN三明治结构,并研究了单层WSe2 p-n结的光电特性。进一步提出了 plasmonic array与三明治结构杂化的器件,并观察到单层WSe2 p-n结的光电流和光电响应强度的提高。4.在实验上首次制备出WSe2门控量子点,并观测到库仑菱形和库伦振荡等物理现象,展现出良好的栅极可调控量子点。基于拓扑性质的1T’-TMDs材料,率先制备出MoRe-MoTe2-MoRe超导约瑟夫森结,并取得了一定的进展。
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