CN111192967A - 一种铁电畴定义的MoTe2面内PN结及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铁电畴定义的MoTe2面内PN结及制备方法。PN结结构自下而上依次是绝缘衬底、金属底电极、铁电功能层、过渡金属硫族化合物双极性半导体MoTe2和石墨烯电极。器件的制备步骤是先运用紫外光刻或者电子束光刻的方法结合热蒸发、剥离工艺在绝缘衬底上制备左右两个金属底电极，然后用旋涂法在底电极上制备铁电薄膜，随后通过机械剥离法将双极性半导体MoTe2转移至铁电薄膜上，然后通过机械剥离工艺获得石墨烯并转移至MoTe2上作为电极，最后分别给左右两个底电极施加正向和负向电压脉冲调节铁电薄膜的极化方向相反，从而将双极性半导体两边调节成电子和空穴导电，形成面内PN结。该类PN结具有典型的整流特征，无需一直施加外加栅压，稳定性好等特点。

Description

一种铁电畴定义的MoTe2面内PN结及制备方法
技术领域
本发明涉及一种二维半导体光伏器件，具体指一种铁电畴定义的MoTe2面内PN结及制备方法。
背景技术
过去十几年中，二维材料由于其独特性能在各个领域受到广泛关注和研究。以石墨烯、黑磷以及二硫化钼为代表的二维材料在生物、医学、化学以及物理等不同领域都有重大突破。
由于二维材料种类丰富，能带结构多样，且表面不存在悬挂键，因此可不受限于晶格匹配的限制而形成各种不同的异质结。PN结作为一种重要的异质结是现代电子和光电器件的基础元件，并广泛应用于二极管，双极型晶体管，发光二极管，太阳能电池，光电探测器等等。传统PN结结区通常通过化学掺杂的方式形成，而很多二维材料本身具有双极性，例如WSe2,MoTe2,黑磷等，因此可以通过静电掺杂在同一块二维材料内形成PN结，即通过栅电极施加不同电压使一块二维材料内的载流子是电子或者空穴，从而形成面内PN结。两个距离很近的栅电极分别施加不同电压，加负电压一侧使WSe2的费米能级向价带顶移动，从而实现空穴注入，另一侧加正电压使费米能级向导带底移动，实现电子注入，这样就在同一块二维材料中实现了PN结。二极管有良好的整流特性，理想因子和整流因数分别是1.9和105，对可见光有明显的光响应，响应率达到210mA/W[Nature nanotechnology,2014,9(4):262]。另外，这个器件具有光伏特性和电致发光特性，可用于光伏太阳能电池和发光二极管，其光电转化效率和发光效率分别达到0.5％和0.1％[Nature nanotechnology,2014,9(4):257]。
虽然上述目前已有上述工艺的PN结，但是该类PN结工作时需要一直外加栅压来对材料进行静电掺杂，这就增大了能耗，为了规避这些不足，我们提出用铁电材料剩余极化调控同一块二维材料内的载流子类型从而形成PN结的方法。铁电材料是具有极化特性的一类电介质材料，施加外加电压使铁电材料极化，撤去外加电压后，其内部电偶极子整齐排列，可以产生巨大的内建电场。因此将铁电材料与二维材料相结合，利用铁电材料的剩余极化产生的强局域电场来调控二维材料的内部特性。利用金属底电极将对应区域的铁电功能层极化成两个相反的方向，由此来调节双极性二维材料使其分别是电子和空穴导电，形成面内PN结。
本发明利用铁电材料极化所产生的强局域场来调控二维材料的内部载流子形成PN结，呈现明显的整流特性，器件的开关比达到5×105，响应率为5安培每瓦，且无需一直施加外加栅压，加速了二维材料在电子器件领域走向应用的步伐。
发明内容
本发明提出了一种铁电畴定义的MoTe2面内PN结及制备方法，拓宽了二维材料在电子器件方面的应用。
上述发明将铁电材料引入过渡金属硫族化合物双极性二维半导体，利用铁电极化形成的局域电场，调节二维材料的载流子浓度，使双极性二维材料的一边电子导电，一边空穴导电，形成面内PN结。
本发明指一种铁电畴定义的MoTe2面内PN结及制备方法，器件结构自下而上依次为：绝缘衬底1，金属底电极2、铁电功能层3、过渡金属硫族化合物双极性半导体MoTe24石墨烯电极5，其中：
所述的绝缘衬底1为表面覆盖有二氧化硅的硅衬底；
所述的金属底电极2为立方体电极，由下至上依次是铬和金，铬厚度为10纳米，金厚度为20纳米；
所述的铁电功能层3为聚偏氟乙烯基铁电聚合物薄膜，厚度为50纳米；
所述的过渡金属硫族化合物双极性半导体MoTe24为双极性过渡金属化合物MoTe2，厚度为6-12纳米；
所述的源漏电极5为石墨烯电极。
包括以下步骤：
1)采用紫外光刻技术或者电子束曝光技术，结合热蒸发及剥离工艺在绝缘衬底1上制备金属底电极2；
2)运用旋涂方法制备P(VDF-TrFE)的铁电功能层3，并在135℃温度下退火2小时保证功能层的结晶特性；
2)采用机械剥离转移方法将双极性过渡金属化合物二维半导体MoTe24转移至铁电功能层3表面；
3)采用机械剥离转移方法将源漏电极5过渡金属硫族化合物双极性半导体MoTe24表面；
4)分别给两个金属底电极1施加正向和负向电压脉冲极化铁电功能层3。
附图说明
图1为金属裂栅底电极调控的MoTe2串联面内PN结的工作状态示意图。
图中：1绝缘衬底、2金属底电极、3铁电功能层、4过渡金属硫族化合物双极性半导体MoTe2、5源漏电极。
图2为极化后的铁电畴调控的MoTe2串联面内PN结能带结构示意图。
图3为6纳米厚的MoTe2的PN结和NP结的伏安特性曲线。
图4为9纳米厚的MoTe2的PN结和NP结的伏安特性曲线。
图5为12纳米厚的MoTe2的PN结和NP结的伏安特性曲线。
图6为12纳米厚的MoTe2的PN结在光照条件下和黑暗条件下的伏安特性曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明：
本发明研制了一种将铁电材料引入过渡金属硫族化合物二维半导体光伏器件，该光伏器件结构基于铁电场效应，利用铁电极化形成的局域电场，调节二维材料的载流子浓度，使得双极性二维材料上形成面内的PN结。
实施案例1具体步骤如下：
1.绝缘衬底选择
衬底为绝缘衬底即可，可以是宝石片，二氧化硅等。
2.金属底电极制备
利用电子束光刻的方法制备电极图形；利用热蒸发技术制备金属电极，铬10纳米，金20纳米；剥离金属膜，获得金属电极，沟道宽度为300纳米。
3.铁电功能层制备
运用旋涂法制备P(VDF-TrFE)铁电功能层，并在135℃温度下退火2小时保证其结晶特性，P(VDF-TrFE)铁电功能层薄膜的厚度为50纳米。
3.过渡金属硫族化合物双极性二维半导体制备
用胶带将双极性过渡金属化合物MoTe2晶体机械剥离，然后将其转移至金属底电极对应的铁电功能层上，MoTe2厚度为6纳米。
4.源漏电极制备
用胶带将石墨烯晶体机械剥离，然后将其转移至过渡金属硫族化合物MoTe2上。
5.极化铁电功能层
通过分别给左右两个金属底电极施加正向和负向脉冲电压使得对应区域的铁电功能层的极化方向分别为向上和向下，因此过渡金属硫族化合物双极性二维半导体MoTe2的对应区域则被调节为电子导电和空穴导电，从而形成面内PN结。
实施案例2具体步骤如下：
1.绝缘衬底选择
衬底为绝缘衬底即可，可以是宝石片，二氧化硅等。
2.金属底电极制备
利用电子束光刻的方法制备电极图形；利用热蒸发技术制备金属电极，铬10纳米，金20纳米；剥离金属膜，获得金属电极，沟道宽度为300纳米。
3.铁电功能层制备
运用旋涂法制备P(VDF-TrFE)铁电功能层，并在135℃温度下退火2小时保证其结晶特性，P(VDF-TrFE)铁电功能层薄膜的厚度为50纳米。
3.过渡金属硫族化合物双极性二维半导体制备
用胶带将双极性过渡金属化合物MoTe2晶体机械剥离，然后将其转移至金属底电极对应的铁电功能层上，MoTe2厚度为9纳米。
4.源漏电极制备
用胶带将石墨烯晶体机械剥离，然后将其转移至过渡金属硫族化合物MoTe2上。
5.极化铁电功能层
通过分别给左右两个金属底电极施加正向和负向脉冲电压使得对应区域的铁电功能层的极化方向分别为向上和向下，因此过渡金属硫族化合物双极性二维半导体MoTe2的对应区域则被调节为电子导电和空穴导电，从而形成面内PN结。
实施案例3具体步骤如下：
1.绝缘衬底选择
衬底为绝缘衬底即可，可以是宝石片，二氧化硅等。
2.金属底电极制备
利用电子束光刻的方法制备电极图形；利用热蒸发技术制备金属电极，铬10纳米，金20纳米；剥离金属膜，获得金属电极，沟道宽度为300纳米。
3.铁电功能层制备
运用旋涂法制备P(VDF-TrFE)铁电功能层，并在135℃温度下退火2小时保证其结晶特性，P(VDF-TrFE)铁电功能层薄膜的厚度为50纳米。
3.过渡金属硫族化合物双极性二维半导体制备
用胶带将双极性过渡金属化合物MoTe2晶体机械剥离，然后将其转移至金属底电极对应的铁电功能层上，MoTe2厚度为12纳米。
4.源漏电极制备
用胶带将石墨烯晶体机械剥离，然后将其转移至过渡金属硫族化合物MoTe2上。
5.极化铁电功能层
通过分别给左右两个金属底电极施加正向和负向脉冲电压使得对应区域的铁电功能层的极化方向分别为向上和向下，因此过渡金属硫族化合物双极性二维半导体MoTe2的对应区域则被调节为电子导电和空穴导电，从而形成面内PN结。

Claims (2)

1.一种铁电畴定义的MoTe2面内PN结，包括绝缘衬底(1)，金属底电极(2)、铁电功能层(3)、过渡金属硫族化合物双极性半导体MoTe2(4)、源漏电极(5)，其特征在于：
所述的PN结结构自下而上依次为：绝缘衬底(1)，金属底电极(2)、铁电功能层(3)、过渡金属硫族化合物双极性半导体MoTe2(4)源漏电极(5)，
其中：
所述的绝缘衬底(1)为表面覆盖有二氧化硅的硅衬底；
所述的金属底电极(2)为立方体电极，由下至上依次是铬和金，铬厚度为10纳米，金厚度为20纳米；
所述的铁电功能层(3)聚偏氟乙烯基铁电聚合物薄膜，厚度为50纳米；
所述的过渡金属硫族化合物双极性半导体MoTe2(4)为双极性过渡金属化合物MoTe2，厚度为6-12纳米；
所述的源漏电极(5)为石墨烯电极。
2.一种制备如权利要求1所述一种铁电畴定义的MoTe2面内PN结的方法，其特征在于包括以下步骤：
1)采用紫外光刻技术或者电子束曝光技术，结合热蒸发及剥离工艺在绝缘衬底(1)上制备金属底电极(2)；
2)运用旋涂方法制备P(VDF-TrFE)的铁电功能层(3)，并在135℃温度下退火2小时保证功能层的结晶特性；
3)采用机械剥离转移方法将双极性过渡金属化合物二维半导体MoTe2(4)转移至金属底电极对应的铁电功能层(3)表面；
4)采用机械剥离转移方法将源漏电极(5)过渡金属硫族化合物双极性半导体MoTe2(4)表面；
5)分别给两个金属底电极(2)施加正向和负向电压脉冲极化铁电功能层(3)。
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