纳微快报NML分享 http://www.blog.sciencetimes.com.cn/u/nanomicrolett

博文

NML综述 | 二维PdSe₂材料及其异质结在电子/光电领域中的应用和展望

已有 1238 次阅读 2021-9-2 21:43 |系统分类:论文交流

Applications of 2D‑Layered Palladium Diselenide and Its van der Waals Heterostructures in Electronics and Optoelectronics

Yanhao Wang, Jinbo Pang*, Qilin Cheng, Lin Han*, Yufen Li, Xue Meng, Bergoi Ibarlucea, Hongbin Zhao, Feng Yang, Haiyun Liu, Hong Liu*, Weijia Zhou, Xiao Wang, Mark H. Rummeli, Yu Zhang*, Gianaurelio Cuniberti

Nano-Micro Letters (2021)13: 143

https://doi.org/10.1007/s40820-021-00660-0

本文亮点
1. 系统地阐述PdSe₂的结构-性质关系,即层数与可调谐带隙五边形结构与基于各向异性的偏振光检测。

2. 比较了PdSe₂的各种合成方法,包括自底向上的体晶化学气相输运法、薄膜和单晶域化学气相沉积法、硒化Pd薄膜法等。此外,还讨论了自顶向下的策略,包括体晶的机械剥离、等离子体减薄、真空退火和相变。

3. 详细地介绍了PdSe₂及其范德华异质结构的器件

4. 提出了基于PdSe₂材料及其范德华异质结构的未来发展机遇

内容简介
自2004年单原子层石墨烯被首次报道以来,有关二维材料的研究迅速席卷了整个化学、材料和物理等研究领域。二维过渡金属硫属化合物(TMDCs)在电子和光电子器件以及能源器件等领域具有广阔的应用前景,尤其是以二硫化钼、二硒化钨等为代表的一类半导体材料,表现出优良的光电性能,其自身还兼具独特的柔性,可以用制备下一代柔性的可穿戴设备。目前,10族过渡金属硫属化合物(nTMDCs)也在被不断地研究开发,成为了新的研究热点。尤其是PdSe₂材料的器件研究热点,涵盖了场效应晶体管、光电探测器、传感器和激光器。由于其独特的电子、光学和能带性质,PdSe₂得到了越来越多的研究与关注。因此对于二维PdSe₂在材料、制备和器件应用等方面的现状有必要进行及时的归纳和总结,这样才能促进其进一步的发展。山东大学韩琳团队和济南大学刘宏团队详尽地总结了PdSe₂研究的最新进展:首先介绍了PdSe₂材料结构、类型以及合成路线;然后讨论了热电学、光学等性质;随后着重介绍PdSe₂在电子器件方面的应用,包含场效应晶体管、光电探测器、图像传感器、湿度传感器应用等;最后对PdSe₂的后续制备及柔性电子应用,以及其在电子学与光电子等方向的潜力做出了展望。
图文导读
I PdSe₂总述
本文介绍了PdSe₂的原子结构、能带图和各向异性等基本性质;包括CVD、CVT等合成方法;场效应晶体管、光电探测器等电子应用;图像传感器、热电、激光等系统应用。文章的最后给出了对PdSe₂材料的展望,读者可以看到一些新的发展应用前景等。

图1. PdSe₂材料结构、制备、性质及器件应用的示意图。

II PdSe₂结构

晶体结构:PdSe₂是一种具有正交晶格和低对称性的二维皱褶五边形材料,被鉴定为第一个具有五边形结构的TMDC。

电子轨道:在单层PdSe₂中,一个Pd原子与四个Se原子配位,形成一个方形平面结构,PdSe₂中Pd 4d轨道和Se 4p轨道的杂交形成了共价键。费米能级附近的能带由Se元素的p轨道贡献。单分子层PdSe₂的电导带最小值和价带最大值来源于Se的p态和Pd的d态。自旋轨道耦合不影响单层PdSe₂的电子结构。

图2. (a) PdSe₂单分子层的俯视图和侧视图,其中单位细胞用红线标记,蓝色和黄色的球体分别代表Pd和Se原子。(b) 皱褶五边形PdSe₂的三维晶体结构。(c, d) 具有偶、奇数层的PdSe₂晶体结构的STEM图像。(e, f) 相应的层数为偶数和奇数的PdSe₂晶体的模拟图像,插图显示了相应STEM图像的原子模型。

能带结构:具有半导体特性的单层PdSe₂间接带隙的禁带宽度是随着PdSe₂层数的增加而减小,直至PdSe₂没有带隙(0 eV)且具有半金属特性。

图3. (a) 无应变单分子层PdSe₂的能带结构。在(b) 压缩应变和(c) 拉伸应变下,单层PdSe₂具有对称双轴的电子带结构。(d) 体材料PdSe₂的电子能带结构,费米能级设为零。红色和蓝色区域分别代表Pd 4d和Se 4p态的贡献。(e) 拉伸应力为1.0 GPa时PdSe₂体材料的电子能带结构。(f) 体材料PdSe₂的带隙、导带底、价带顶和层间距随单轴拉应力的变化,其中蓝色区域表示层间距的快速增长。

图4. (a)不同层数的PdSe₂材料从单层到体材料的拉曼光谱。(b) PdSe₂的六种主要振动模式。

PdSe₂的性质(各向异性、热电)。

图5. 模拟了平行构型下Ag模(a)和B1g模(b)的拉曼强度以及交叉构型下Ag模式(c)和B1g模式(d)的拉曼强度。

图6. 1-3层PdSe₂的(a) 沿x轴(90°) 和y轴(0°)的吸光度。(b) 体材料PdSe₂在300-800 nm范围内的偏振分辨吸收光谱,测量角度为-90~90°。

图7. (a) 室温下n型(左)和p型(右)掺杂PdSe₂的热电输运系数σ、S和S2σ随载流子浓度的变化。(b) 单层PdSe₂晶格热导率随温度的变化。(c) n型(左)和p型掺杂(右)单分子层PdSe₂室温下的热电特性(ZT)。

PdSe₂的相变工程。

图8. (a) 单层Pd₂Se₃的晶格结构和(b) 相应的ADF-STEM模拟图像。(c) 从双层PdSe₂到单层Pd₂Se₃的重建机制示意图。(d) 分层PdSe₂中红色圆圈标记的Se空位配置迁移及其扩散的能垒计算(e)。(f) Pd₁₇Se₁₅的晶格结构和(g) 对应的ADF-STEM图像。(h) 氩气等离子体处理PdSe₂逐层形成Pd₁₇Se₁₅工艺示意图。

III PdSe₂的生长

PdCl₂和Se的化学气相沉积反应生成PdSe₂薄膜。

图9. (a) CVD法合成PdSe₂的原理图。(b, c) 制备的多层PdSe₂薄膜的照片和AFM高度轮廓图。

等离子体刻蚀处理减薄PdSe₂层。

图10. (a-d) 等离子体处理PdSe₂层的减薄。(e) 刻蚀层与等离子体中的氧含量的关系图。PdSe₂在等离子体刻蚀前(f) 和等离子刻蚀减薄后(g) 的光学显微图。(h-j) PdSe₂碎片变薄前后的原子力显微镜显微图。

IV PdSe₂基器件

PdSe₂的电极接触优化。

图11. (a) 比较了分别与Ti/Au和Pd₁₇Se₁₅接触的PdSe₂沟道的温度依赖迁移率。(b) 采用Ti/Au和Pd₁₇Se₁₅触点的PdSe₂器件肖特基势垒高度的比较。(c) Ti/Au触点和(d) Pd₁₇Se₁₅触点原理图。

PdSe₂ FET的性能影响因素。

图12. (a) PdSe₂场效应晶体管原理图及电测量。(b, c) 在15nm厚的PdSe₂碎片上制备源极和漏极的两个器件的SEM显微图。(d, e) PdSe₂ FET对应的转移特性。(f) PdSe₂ FET在10-6 mbar真空条件下的传输曲线。(g) 比较转移曲线与相对于标准测量时间延迟8 s后的测量曲线。Hw为迟滞宽度。

PdSe₂基光电探测器。

图13. (a) 基于PdSe₂和硅纳米线阵列的光电探测器原理图。(b) 光电探测器的光强依赖性响应率和探测率。(c) 零偏置电压下,光电探测器在不同波长红外光照射下的时变电流。(d) 不同偏振角的光照射下,器件光电流的变化。

PdSe₂基湿度传感器。

图14. (a) 基于PdSe₂的器件在黑暗中相对湿度下电流比的变化。(b) 在黑暗和780 nm照明下灵敏度的相对湿度依赖性。(c) PdSe₂器件在黑暗和780 nm照明下75% RH下的时间响应。(d) 在780 nm下,75% RH下灵敏度的光强依赖性。RH表示相对湿度。

PdSe₂在激光器中的应用。

图15. (a) PdSe₂被动调q Nd:GdLaNbO₄脉冲激光实验装置原理图。(b) 脉冲持续时间(左)和重复频率(右)与吸收泵浦功率的关系。(c) 脉冲能量(左)和脉冲峰值功率(右)随吸收泵浦功率的变化。

PdSe₂的极化光检测以及图像传感器应用。

图16. (a) 图像传感装置的视图。(b) 用四种波长的光源进行光照射,通过调节不同偏振角,使传感器在单色光照射下的光电流。(c) 在红外偏振光照明下对大写P掩模进行成像的系统设置。(d) 器件在大写P掩模在780 nm光照下的高分辨率当前映射图像,偏振角为0(左)和90(右)。(e) 偏振角为0的大写Z的器件成像。

V 总结与展望

本文全面综述了新兴的五边形二维材料PdSe₂的研究进展。首先介绍了PdSe₂的基本原理、PdSe₂的类型、原子和电子结构、带隙和振动特性。其次,对其合成方法做了非常详细地阐述。第三,讨论了电子和光电子器件及其性能,包括金属/半导体接触、场效应晶体管、光电探测器和湿度传感器以及脉冲激光和热电功率器件。最后,介绍了PdSe₂的范德瓦尔斯异质结构及其在整流器、光电探测器和成像系统中的应用。PdSe₂器件的性能已在光电探测器、场效应晶体管和湿度传感器中得到验证,异质结构中的能带取向可以为光致载流子的输运提供平台,而且二维材料作为饱和吸收体在脉冲激光产生的q开关和模式锁定方面表现出了非凡的性能。PdSe₂的合成技术在大规模生产方面仍有很大的发展空间。由于PdSe₂的层状特性,需要改进制备方法来精确控制厚度,这对于高性能器件的制造至关重要,为了满足工业化的需要,需要探索更有效的原子薄、大规模、均匀的二维PdSe₂的合成方法。
作者简介
王彦皓

本文第一作者

山东大学 硕士
主要研究领域

低维材料的生长及其光电器件的研究。

主要研究成果

在Nanoscale, Anal.Chim. Acta, Adv. Mater. Interfaces等学术期刊发表论文7篇,其中以第一作者发表3篇,申请专利2项。

逄金波

本文第一作者

济南大学 副研究员

主要研究领域

二维材料的晶圆级可控合成和范德华异质结构筑及其在电子、光电子器件上的应用。

主要研究成果

以项目负责人承担国家自然科学基金、山东省自然科学基金等多项课题。在包括Adv. Energy Mater., ACS Nano, Chem. Soc. Rev., InfoMat, Adv. Opt. Mater., Appl. Energy, Solar RRL等学术期刊上发表SCI文章50余篇,被引2300余次,H因子为23。

Email: ifc_pangjb@ujn.edu.cn

韩琳

本文通讯作者

山东大学 教授

主要研究领域

微电子与生物医学或海洋环境交叉领域的研究。

主要研究成果

在Nucleic Acids Res., Small, Nanoscale, Npj 2D Mater. Appl., Sci. Rep., Appl. Phys. Lett., IEEE Electron. Device Lett., PNAS, Nano Lett., ACS Nano等的国际著名期刊发表论文40余篇,申请美国专利9项,中国专利8项,国际专利2项,其中授权美国专利4项。目前承担国家自然基金青年项目、国家重点研发计划(课题负责人)“高增敏金属纳米结构材料与聚集体生化传感器研究”、山东省杰出青年基金、山东省重大科技创新项目课题等多项省部级项目,并获得2019年山东大学青年交叉科学创新群体项目支持。

Email: hanlin@sdu.edu.cn

刘宏

本文通讯作者

济南大学、山东大学 教授

主要研究领域

生物医学传感、智能传感、二维材料与器件的研究。

主要研究成果

在包括Adv. Mater., Nano Letters,ACS Nano, J. Am. Chem. Soc, Adv. Fun. Mater, Envir. Eng. Sci.等学术期刊上发表SCI文章300余篇,其中,影响因子大于10的近50篇,个人文章总被引次数超过21000次,H因子为68,30余篇文章被Web of Science的ESI选为“过去十年高被引用论文”(Highly Cited Papers (last10 years)),文章入选2013年中国百篇最具影响国际学术论文,2015和2019年度进入英国皇家化学会期刊“Top 1% 高被引中国作者”榜单。2018、2019年和2020年连续三年被科睿唯安评选为“全球高被引科学家”。

Email: hongliu@sdu.edu.cn

撰稿:原文作者
编辑:《纳微快报(英文)》编辑部
关于我们
纳微快报

Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、Springer Nature合作开放获取(open-access)出版的英文学术期刊,主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, commentary, perspective, letter, highlight, news, etc),包括微纳米材料的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、吸波、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、SCOPUS、PubMed Central、DOAJ、CSCD、知网、万方、维普、超星等数据库收录。2020 JCR影响因子IF=16.419,在物理、材料、纳米三个领域均居Q1区(前10%)。2020 CiteScore=15.9,材料学科领域排名第4 (4/123)。中科院期刊分区:材料科学1区TOP期刊。全文免费下载阅读(http://springer.com/40820),欢迎关注和投稿。

E-mail:editor@nmletters.org
Tel:021-34207624



http://www.blog.sciencetimes.com.cn/blog-3411509-1302597.html

上一篇:NML综述 | 聚合物基电磁屏蔽复合材料研究进展
下一篇:原位可视化技术:探索硒化铁在醚类电解液中的储钾机制

0

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (0 个评论)

数据加载中...
扫一扫,分享此博文

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2021-10-16 19:27

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部