二维黑磷器件的制备及电学特性的研究

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1、二维黑磷器件的制备及电学特性的研究Fabricationandstudyontheelectricalpropertiesof2Dblackphosphorusdevice学科专业：材料物理与化学研究生：李倩倩指导教师：姚东升副教授天津大学理学院二零一七年五月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明

2、确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日摘要黑磷具有独特的各向异性光电特性，制备的器件也具有较为优越的电输运特性；即，具有电子迁移率极高的石墨烯在高频器件的优势，也具有开

3、关比特性优异于过渡金属硫化物在低功耗器件中的优势。因而，黑磷也成为二维材料中继石墨烯和过渡金属硫化物的重要发现，在纳米光电器件中具有广阔的应用前景。本文以探究二维黑磷晶体的光电特性为目的，主要围绕不同条件、不同结构的二维黑磷晶体器件的制备及电学特性展开研究，主要研究工作如下：(1)本文探索了薄层黑磷晶体的转移方法。在传统的碱溶液刻蚀转移法的基础上开发基于PMMA的湿法转移技术，避免碱溶液对二维材料的刻蚀和杂质掺杂；考虑到黑磷的水氧吸附的特殊性质，我们进一步将基于PMMA的湿法转移技术升级为基于PDMS的干法转移技术，实现了最大限度保护黑磷晶

4、体不受水氧吸附影响而可能造成的老化现象。这一技术可从黑磷体材料上获得洁净的、晶格结构完整的黑磷二维材料，并成功的一步到位将其转移到二氧化硅基底上。(2)研究了影响黑磷场效应管电学特性的因素。通过制备和测试由不同厚度的黑磷所制备的器件，探索了器件电学特性对材料厚度的依赖；通过制备倒置黑磷场效应管，充分验证水氧吸附在器件中的掺杂作用，并证明掺杂可以通过退火去除；通过不同金属材料的功函数与材料的匹配性，阐明了金属电极在电学特性中的影响；通过制备双栅极倒置场效应管，详细对比了不同栅极位置对器件输运特性的影响。(3)研究了黑磷与硒化钼异质结器件的电学

5、特性。通过上述器件制备方法制备出了一个集成器件，该器件可分解为一个黑磷场效应管、一个硒化钼场效应管和一个异质结器件，分别研究了这三个器件的电学特性，结果表明在异质结器件的制备过程中材料转移的顺序对异质结电学特性存在影响。本论文研究了不同材料厚度、电极、器件结构等因数对黑磷器件特性的影响，得出倒置的器件结构可以在一定程度上从源头上解决由于空气吸附所造成的黑磷退化现象，这一结论对于解决黑磷器件的不稳定性具有深远意义。关键词：二维黑磷晶体，能带调节，场效应管，异质结IIIABSTRACTBlackphosphorushasuniquephotoe

6、lectricpropertiesandcombinesexcellentmobilityandswitchingcharacteristics,ithaswideapplicationprospectinnanooptoelectronicdevices.Inordertoexplorethephotoelectricpropertiesoftwo-dimensionalblackphosphoruscrystals,thispapermainlystudiesthepreparationandelectricalcharacterist

7、icsoftwo-dimensionalblackphosphoruscrystaldeviceswithdifferentconditionsanddifferentstructures.Themainresearchworkisasfollows.Inthispaper,thetransfermethodofthinlayerofblackphosphoruscrystalwasexplored.ThePMMA-basedwettransfertechniquewasdevelopedtoavoidthedopingofthetwo-d

8、imensionalmaterials.AndthePDMS-baseddrytransfertechnologytoprotecttheblackphosphoruscryst