二维材料及其异质结构的输运特性与气体传感应用研究

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1、⑩＾ＴＩＡＮＪＩＮＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ中国第－所现代大学ｊＦＯＵＮＤＥＤＩＮ１８９５（＇．＇Ｓｉ博士学位论文一仪器科学与技术级学科：学科专业：仪器科学与技术作者姓名：冯志宏指导教师：张代化教授天津大学研究生院２０１７年５月天津大学博士学位论文二维材料及其异质结构的输运特性与气体传感应用研究Electricaltransportandgassensingoftwo-dimensionalmaterialsandtheirheterostructures一级学科：仪器科学与技术学科专业：仪器科学与技术作者姓

2、名：冯志宏指导教师：张代化教授天津大学精密仪器与光电子工程学院二零一七年五月中文摘要二维材料由于具有优异的物理和化学性质，成为当前热点研究领域之一。独特的单原子层结构使其具有接近理论极值的表面体积比、优异的电学特性和较高的表面活性，在气体传感应用中有着显著的优势。近年来，在二维材料研究方面取得的突出进展使高性能气体传感器的实现成为可能。但同时，基于二维材料的气体传感器还面临着响应度低、室温下无法完全恢复、选择性差等问题。通过开发新型材料及器件结构来进一步提高传感器的气敏性能是接下来的研究重点。本论文对新型二维材料二碲化钼（MoTe2）的气敏特性及影响因素进行了深入

3、的研究。另一方面，本论文创新性地将不同二维材料组装成的异质结应用于气体传感，并系统地研究了其传感机理，为气体传感应用提供了新的平台。主要研究内容如下：1.对MoTe2场效应晶体管的电子输运和传感性能进行了研究。首先深入系统地研究了气体分子吸附、衬底材料和栅极偏压幅值与扫描速率对器件迟滞特性的影响。其次创新性地利用背栅偏置对MoTe2气体传感器气敏性能进行调节，在室温下实现了传感器的快速恢复。使用背栅偏置改善MoTe2传感器的恢复动力学充分利用了FET器件的结构特点，具有结构简单、成本低的特点。2.研究了光照对MoTe2气体传感器气敏特性的影响。深入探索了MoTe2

4、传感器性能与入射光子能量和光功率密度的关系。在254nm紫外光照下，传感器探测二氧化氮和氨气的灵敏度分别增强了7和25倍，且检测二氧化氮时的恢复速度得到了显著的提升，证明光照可以有效提升二维材料气体传感器的性能。3.对黑磷/二硒化钼异质结的电子输运和气体传感应用进行了研究。首先研究了背栅电压对黑磷/二硒化钼异质结的能带排列及载流子输运过程的调制作用，为气体传感应用的研究提供理论指导；其次研究了黑磷/二硒化钼异质结的气敏特性，与相同材质的同质结传感器相比，异质结传感器在检测二氧化氮时具有更高的灵敏度和更低的检测极限；最后通过扫描开尔文探针显微镜和有限元仿真对黑磷/二

5、硒化钼异质结的气体传感机理进行了研究，阐明了异质结传感器具有更高灵敏度源于气体吸附对能带排列及载流子输运的显著调制。关键词：二维材料；二碲化钼；二硒化钼；黑磷；异质结；气体传感ABSTRACTTwo-dimensional(2D)materialshaveattractedconsiderableinterestinthepastfewyearsowingtotheirexcellentphysicalandchemicalproperties.Withtheiruniqueproperties,suchasultra-largesurface-to-volume

6、ratio,excellentelectricalpropertiesandhighsurfaceactivities,2Dmaterialsholdthepromisefortheconstructionofagenerationofgassensorwithunprecedentedperformance.However,thesegassensorsbasedon2Dmaterialsstillexhibitedseveralissuessuchaslowresponse,incompleterecoveryatroomtemperatureandpoors

7、electivity.Toimprovetheseissues,newstrategiessuchasdevelopingnovelnanomaterialsordevicestructuresareworthyofattention.Inthethesis,wesystematicallyinvestigatedthesensingpropertiesofmolybdenumditelluride(MoTe2),anewadditiontotheclassof2Dmaterials.Inaddition,wedemonstratedthepotentialofv

8、ander