西安交大科研人员在P型二维二硫化钨的合成及其器件研究方面取得新进展

近年来，基于二维原子晶体材料的光电晶体管在探测灵敏度、极低暗电流、高工作温度等指标超越了传统薄膜器件的理论极限，成为新一代高性能光电探测技术的研究热点。其中，以二硫化钨（WS2）、二硫化钼（MoS2）等二维过渡金属硫化物为代表的二维半导体材料，因具有原子级厚度、优异的载流子迁移率及带隙可调的特性，成为光电晶体管沟道材料的理想候选者之一。然而，目前大多数二维过渡金属硫化物都为N型半导体，使得基于二维材料的场效应晶体管（FET）难以集成到现有的互补金属氧化物半导体制作工艺（CMOS）中，不利于二维材料在光电探测器中的应用。

针对上述问题，西安交通大学电气工程学院孟国栋副教授课题组与澳大利亚国立大学Zongyou Yin教授课题组开展合作研究，利用氯化钠（NaCl）辅助的气相化学沉积方法，成功实现了P型单层二维二硫化钨的可控生长，并制备了基于二维二硫化钨的P型场效应晶体管。该方法可实现对二硫化钨形貌及尺寸的调控，制备的二硫化钨具有原子级厚度以及优异的荧光特性，测试结果表明场效应晶体管的平均载流子迁移率可达10.23 cm2V-1s-1。结合理论分析和第一性原理计算发现，氯化钠可在生长过程中与前驱物反应生成液滴状中间产物，在加速生长的同时实现了钠原子的掺杂，而钠原子的掺杂引入了新的受主能级，成功实现了对二硫化钨能带结构的有效调控，使其呈现出P型半导体的特性。该研究工作揭示了基于氯化钠辅助气相化学沉积法的二维二硫化钨的合成和能带调控机制，为实现P型二维二硫化钨与互补金属氧化物半导体制作工艺的集成应用提供了新的思路。

上述研究成果近期以《P型单层二硫化钨场效应晶体管的的气液固生长》（Vapor–Liquid–Solid Growth of Morphology-Tailorable WS2toward P-Type Monolayer Field-Effect Transistors）为题在国际知名期刊《美国化学会·应用材料与界面》（ACS Applied Materials & Interfaces）在线发表。论文第一作者为电气学院硕士生谢晋安，指导教师为孟国栋副教授和成永红教授，西安交通大学为论文第一作者单位和通讯单位。本研究工作的顺利开展得到了西安交通大学电气工程学院肖冰教授的大力支持，部分分析测试工作得到了西安交通大学分析测试共享中心的大力支持。

课题组近年来致力于二维材料的制备、表征及其在电气电子领域的应用研究，相关的研究工作发表在《材料化学C》（Journal of Materials Chemistry C）、《化学前沿》（Frontiers in Chemistry）等国际知名期刊。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acsami.2c13812