魏洋、范守善研究组在混合维度异质结器件研究中取得进展
2020年2月28日
用不同维度的低维材料设计和构筑结构功能更为复杂的混合维度异质结器件，实现不同维度和不同材料之间的优势互补、协同工作是纳米科技领域的重要研究方向。碳纳米管是近乎完美一维材料，具有优异的电学特性，是理想的一维导线和一维半导体沟道。碳纳米管表面没有悬挂键，与其他各类材料的结合通常是通过范德华相互作用，与二维材料范德华异质结器件具有良好的兼容性。并且，在构筑功能纳米器件方面碳纳米管无论是几何结构上还是功能上均与二维材料具有极高的互补性。因此，清华-富士康纳米科技研究中心的研究团队提出用这两类先进的低维纳米材料来构筑一维二维混合维度异质结，通过近几年的努力证实了该研究方向的可行性和重要性，并取得了一系列原创成果。
最近清华大学物理系低维量子物理国家重点实验室博士后张金博士和博士生丛琳、张科在导师国重成员范守善院士和魏洋副研究员的指导下，利用单根金属型碳纳米管、二维半导体WSe2和MoS2构筑了一种新颖的异质结构—垂直点p-n结，如图1所示，它由两根交叉设置的金属型碳纳米管和WSe2/MoS2 p-n结构成。这种一维二维混合维度点p-n结器件的电学性质和光电性质具有可被电场调控的特性。在栅极电场调控下垂直点p-n结可实现由p-n结到n-n结的转变；作为光电探测器，通过设置不同栅极偏压，器件可实现3中不同工作模式：2个线性模式和1个点模式。负栅极电压条件下，垂直点p-n结器件工作在p-n结区域，此时器件的外量子效率可以达到42.7%。电场对该器件电学和光电性质的有效调控主要取决于栅极电场对界面内建电场的调控。该项研究充分展示了混合维度异质结的功能多样性，及其在纳米电子学、纳米光电子学领域的应用前景，为低维纳米器件的研究开辟了新的思路。
图1 垂直点p-n结结构示意图
这项研究成果以 “Mixed-Dimensional Vertical Point p-n Junctions” 为题发表在国际著名学术期刊ACS Nano上。清华大学物理系魏洋副研究员为该文的通讯作者，清华-富士康纳米科技研究中心、清华大学电子系博士后张金和清华大学物理系博士生丛琳、张科为文章的共同第一作者。该项工作得到科技部（2018YFA0208401，2017YFA0205803）、国家自然科学基金（61774090，51472142，51727805，51532008）、中国博士后科学基金（2019M650678）和清华-富士康纳米科技研究中心的支持。