Влияние легкого p-легирования на электрические и оптоэлектронные характеристики амбиполярных полевых транзисторов WSe2

Фон

Двумерные (2D) материалы вызывают значительный интерес как многообещающие кандидаты для электроники и оптоэлектронных устройств нового поколения [1, 2]. Хотя графен является одним из наиболее хорошо изученных 2D-материалов, ему не хватает собственной запрещенной зоны, что ограничивает его широкое применение. Между тем, двумерные дихалькогениды переходных металлов (ДПМ), такие как MoS ₂ , MoSe ₂ , WS ₂ , и WSe ₂ , имеют преимущество в том, что они могут использоваться в качестве материала канала полевых транзисторов (FET) из-за их собственных свойств запрещенной зоны, хорошей подвижности носителей и высокого отношения включения / выключения [2, 3]. Следовательно, TMD широко используются в различных устройствах, таких как транзисторы [4,5,6], датчики [7,8,9,10], логические схемы [11], устройства памяти [12], автоэмиссионные устройства [ 13] и фотоприемники [14, 15]. В частности, полевые транзисторы на основе WSe ₂ продемонстрировали отличные амбиполярные характеристики, такие как высокая подвижность носителей, выдающиеся светочувствительные свойства, превосходная механическая гибкость и долговечность [16,17,18]. Тем не менее, легирование WSe ₂ требуется для дальнейшего улучшения полевой подвижности или контактных свойств, которые необходимы во множестве электронных приложений [16, 19]. Среди множества подходов к легированию, термический отжиг на окружающей среде с образованием WO ₃ слои на WSe ₂ Поверхность была продемонстрирована как простой, так и эффективный процесс легирования p-типа [20,21,22]. Например, Liu et al. термически отожженный WSe ₂ пленки в окружающей среде без использования дополнительных веществ для легирования пленок по принципу p-типа и увеличили подвижность дырок до 83 см ² V ^-1 s ⁻¹ с использованием подложки из гексагонального нитрида бора [20]. Однако тщательные исследования оптических и оптоэлектронных характеристик WSe ₂ легированный WO ₃ желательны для оптоэлектронных приложений, таких как фототранзисторы, фотодиоды и светодиоды [17, 18, 23, 24].

В этой работе мы исследовали электрические, оптические и оптоэлектронные свойства амбиполярного WSe ₂ Полевые транзисторы до и после термического отжига в окружающей среде. Окисленный слой (WO ₃ ) сформированный на WSe ₂ Поверхность во время отжига успешно внесла p-легирование в амбиполярный WSe ₂ Полевые транзисторы, приводящие к сдвигу передаточной кривой в направлении положительного напряжения затвора. Интересно отметить, что долговременная фотопроводимость, которая является феноменом сохранения проводимости после выключения светового излучения, исчезла после отжига. Кроме того, мы провели различные эксперименты, такие как рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS), спектроскопия фотолюминесценции (PL) и спектроскопия комбинационного рассеяния света, чтобы исследовать причину изменений электрических характеристик и характеристик фотопереключения амбиполярного WSe ₂ Полевые транзисторы.

Методы

WSe ₂ хлопья были приготовлены методом микромеханической эксфолиации из насыпного WSe ₂ кристалл, и были перенесены на SiO ₂ толщиной 270 нм слой на сильно легированной пластине кремния p ++ (удельное сопротивление ~ 5 × 10 ⁻³ Ом см), который использовался как задний затвор полевых транзисторов. Толщина WSe ₂ хлопья измеряли с помощью атомно-силового микроскопа (NX 10 AFM, Park Systems). Для создания рисунка электродов мы нанесли центрифугированием полиметилметакрилат (ПММА) 495K (концентрация 11% в анизоле) в качестве слоя электронного сопротивления при 4000 об / мин. После центрифугирования образцы обжигались на горячей плите при 180 ° C в течение 90 с. Мы разработали электродные рисунки с помощью прибора для электронно-лучевой литографии (JSM-6510, JEOL) и разработали рисунки с помощью раствора метилизобутилкетона / изопропилового спирта (1:3) в течение 120 с. Наконец, металлические титановые электроды (толщиной 30 нм) были нанесены с использованием электронно-лучевого испарителя (KVE-2004L, Korea Vacuum Tech).

Термический отжиг на окружающей среде проводился на горячей плите при определенных температурах. Термический отжиг в вакууме проводился с использованием системы быстрого термического отжига (KVR-4000, Korea Vacuum Tech) при 4,5 × 10 ⁻⁴ Торр и 200 ° C в течение 1 ч.

Измерения фотолюминесценции и рамановской спектроскопии были выполнены с использованием системы конфокальной визуализации (XperRamn 200, Nanobase) с длиной волны падающего лазера 532 нм. Измерения методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии проводились с использованием анализатора энергии электронов (AXIS SUPRA, Kratos). Электрические характеристики устройств измерялись с помощью зондовой станции (JANIS, ST-500) и анализатора параметров полупроводников (Keithley 4200-SCS). Фотоотклик устройств измерялся при освещении лазером (MDE4070V).

Результаты и обсуждение

На рисунке 1а показаны оптические изображения WSe ₂ . хлопья и изготовленный WSe ₂ FET. WSe ₂ хлопья были механически отслоены от объемного WSe ₂ кристалл и перенесен на SiO ₂ толщиной 270 нм поверхность на сильно легированной пластине p ++ Si, которая использовалась в качестве заднего затвора полевого транзистора. Металлический титан, используемый в качестве электродов истока и стока, был нанесен на WSe ₂ поверхность. Подробный процесс изготовления устройства поясняется в Дополнительном файле 1:Рисунок S1. Схема изготовленного амбиполярного WSe ₂ Полевой транзистор показан на рис. 1b. Все электрические и переключающие свойства WSe ₂ Полевые транзисторы измерялись в вакууме (~ 3,5 × 10 ⁻³ Торр), поскольку молекулы кислорода и воды в воздухе могут влиять на свойства WSe ₂ Полевые транзисторы. Например, сообщалось, что полупроводниковый тип WSe ₂ Полевые транзисторы могут быть изменены с n- на p-тип при воздействии воздуха [25]. Изображение WSe ₂ , полученное с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ) отщеп отображается на рис. 1c с топографическим профилем поперечного сечения. Измеренная толщина WSe ₂ чешуйка поперек синей линии оказалась размером ~ 1,2 нм (график на вставке на рис. 1c), что соответствует двухслойному WSe ₂ (толщина монослоя WSe ₂ составляет ~ 0,7 нм) [16]. На рисунке 1d показан спектр комбинационного рассеяния света WSe ₂ . показаны два четких пика (пик при 520 см ^-1 относится к подложке Si). Рамановский пик при 245 см ⁻¹ соответствует плоскости (E ¹ _{2 г} режим) или вне плоскости (A _1g мода) колебания WSe ₂ , и пик комбинационного рассеяния при 308 см ⁻¹ соответствует B ¹ _{2 г} режим, который появляется только в многослойном WSe ₂ за счет дополнительного межслоевого взаимодействия [26]. Этот вывод гарантирует хорошее качество WSe ₂ хлопья, использованные в этих экспериментах. E ¹ _{2 г} и A _1g пики WSe ₂ не могли быть различимы прибором спектроскопии комбинационного рассеяния света в этом исследовании, потому что они почти вырождены [27]. На рисунке 1e показана передаточная кривая (ток исток-сток в зависимости от напряжения затвора; I _DS - V _GS кривая) амбиполярного WSe ₂ FET. Такое амбиполярное транспортное поведение WSe ₂ FET из-за количества WSe ₂ слои (двухслойные), которые могут определять основной тип несущей в полевом транзисторе [28, 29].

а Оптические изображения WSe ₂ хлопья (слева) и изготовленные WSe ₂ FET (справа). б Схема изготовленного WSe ₂ Полевой транзистор с Ti-контактами. c Изображение AFM и d Рамановские спектры WSe ₂ . е Я _DS - V _GS кривые амбиполярного WSe ₂ FET

На рисунке 2а показан I _DS - V _GS кривые WSe ₂ Полевой транзистор до и после термического отжига при температуре 200 ° C в течение 1 ч. Выходные кривые (ток исток-сток в зависимости от напряжения исток-сток; I _DS - V _DS кривая) того же WSe ₂ Полевые транзисторы до и после отжига показаны в Дополнительном файле 1:Рисунок S2. Здесь отмечено несколько моментов. Во-первых, напряжение, при котором изменяется тип основных несущих ( В _{n ↔ p} ) сдвигается с -15 до -5 В после отжига на окружающей среде (обозначено зеленой стрелкой на рис. 2а). Во-вторых, Я _DS значительно увеличился на V _GS где основными носителями являются дыры ( V _GS < V _{n ↔ p} ) и уменьшился на V _GS где основными носителями являются электроны ( V _GS > V _{n ↔ p} ) после отжига (показано синими стрелками на рис. 2а). Такое поведение приписывается WO ₃ слой, образованный в результате отжига, который вводит р-легирование в WSe ₂ Полевые транзисторы [20]. В-третьих, после отжига подвижность дырок увеличилась с 0,13 до 1,3 см ² V ^-1 s ⁻¹ , а подвижность электронов уменьшилась с 5,5 до 0,69 см ² V ^-1 s ⁻¹ . Мы использовали формулу μ =(d I _DS / d V _GS ) × [ L / ( WC _я V _DS )] для расчета подвижности носителей, где L (~ 1,5 мкм) - длина канала, W (~ 2,8 мкм) - ширина канала, а C _я = ε ₀ ε _r / d =1,3 × 10 ⁻⁴ F м ⁻² это емкость между WSe ₂ и пластина p ++ Si на единицу площади. Здесь ε _r (~ 3.9) - диэлектрическая проницаемость SiO ₂ и d (270 нм) - толщина SiO ₂ слой. Эти изменения электрических свойств после отжига можно более четко наблюдать на контурных графиках, которые показывают I _DS как функция от V _GS и V _DS до (верхняя панель) и после (нижняя панель) отжига на окружающей среде (рис. 2б). Эти контурные графики были сделаны на основе множества I _DS - V _GS кривые, измеренные в V _GS диапазон от - 70 до 70 В с шагом 1,25 В и V _DS диапазон от 3 до 6 В с шагом 0,25 В. Синие области на контурных графиках сместились в сторону положительного значения V . _GS направление после отжига. Этот сдвиг согласуется со сдвигом кривой переноса, показанным зеленой стрелкой на рис. 2а. Изменение цвета на положительном и отрицательном V _GS (Рис. 2б) после отжига свидетельствует об изменении канального тока WSe ₂ Полевой транзистор (рис. 2а). Другой WSe ₂ Полевые транзисторы также показали такое же изменение электрических свойств после отжига в окружающей среде (см. Дополнительный файл 1:Рисунки S3 и S4 в Дополнительном файле). Кроме того, изменение электрических характеристик при отжиге WSe ₂ Полевой транзистор в вакууме (~ 4,5 × 10 ⁻⁴ Торр) при 200 ° C в течение 1 ч (рис. 2в, г). В отличие от результатов отжига полевого транзистора в окружающей среде, I _DS увеличился на обоих V _GS условия V _GS > V _{n ↔ p} и V _GS < V _{n ↔ p} . Увеличенный I _DS полученный отжигом в вакууме, относится к улучшенным WSe ₂ -Ti контакты без образования WO ₃ [30]. Из результатов сравнения можно предположить, что р-легирование было введено путем взаимодействия с молекулами кислорода во время отжига на окружающей среде. Причины изменения электрических характеристик обсуждаются более подробно после анализа данных XPS.

а , c Я _DS - V _GS кривые в полулогарифмическом масштабе WSe ₂ Полевой транзистор перед отжигом и после отжига при 200 ° C в течение 1 ч. б , d Контурные графики I _DS как функция от V _GS и V _DS перед отжигом (верхняя панель) и после отжига при 200 ° C в течение 1 ч (нижняя панель)

Затем мы измерили характеристики фотопереключения WSe ₂ Полевой транзистор до и после термического отжига на окружающей среде (рис. 3а, б). Электрические характеристики этого полевого транзистора показаны в дополнительном файле 1:Рисунок S3. Лазер облучали WSe ₂ Полевой транзистор и был выключен, когда казалось, что ток сток-исток станет насыщенным. Обратите внимание, что эксперименты по фотопереключению проводились при фиксированном V _GS =0 В, В _DS =10 В, длина волны лазера 405 нм и плотность мощности лазера 11 мВт / см ² . На рис. 3а, б показаны характеристики фотопереключения до и после отжига на окружающей среде соответственно. В этом исследовании постоянная времени нарастания ( τ _рост ) определяется как время, необходимое для фототока (разница между токами, измеренными в темноте и при облучении, т. е. I _ph = Я _irra - Я _темно ) изменить от 10 до 90% от максимума, а время затухания ( τ _распад ) - время, за которое фототок уменьшается до 1 / e от его начального значения. Фиолетовые области на рис. 3а, б показывают время воздействия лазерного излучения. Мы наблюдали резкое изменение времени отклика фотопереключения WSe ₂ Полевой транзистор после термического отжига. Оба τ _рост и τ _распад снизилась с 92,2 и 57,6 с до менее 0,15 и 0,33 с соответственно (что соответствует снижению более чем в 610 и 170 раз соответственно). Обратите внимание, что τ _рост и τ _распад после отжига не удалось точно измерить из-за ограничений прибора. Чтобы убедиться, что изменение времени отклика фотопереключения связано с эффектом окисления WSe ₂ слоев, мы сравнили поведение фотопереключения WSe ₂ Полевой транзистор до и после термического отжига в вакууме (~ 4,5 × 10 ⁻⁴ Торр) при 200 ° С в течение 1 ч (рис. 3в, г). В отличие от резкого уменьшения времени отклика фотопереключения для полевого транзистора, отожженного в окружающей среде, относительно небольшие изменения τ _рост (от 148 до 131 с) и τ _распад (от 166 до 102 с) наблюдались для образца, отожженного в вакууме. Этот результат означает, что окисление WSe ₂ Поверхность путем отжига в окружающей среде является основным источником быстрой реакции фотопереключения. Причина улучшения режима фотопереключения за счет отжига в окружающей среде заключается в несоответствии решеток между WSe ₂ и WO ₃ структуры обеспечивают ловушки и сайты рекомбинации в запрещенной зоне WSe ₂ , который может способствовать процессам рекомбинации фотогенерированных носителей.

Фотопереключения амбиполярных WSe ₂ Полевые транзисторы а , c до и после отжига б при температуре окружающей среды 200 ° C в течение 1 ч и д в вакууме соответственно. Все данные были измерены при V _GS =0 В и В _DS =10 В

Кроме того, для дальнейшего исследования происхождения длительных характеристик фотопереключения после выключения лазера, характеристики фотопереключения при нескольких V _GS были исследованы (рис. 4). Электрические характеристики этого полевого транзистора показаны в дополнительном файле 1:Рисунок S4. Примененный V _GS =5 В, В _GS =- 15 В и В _GS =- 90 В соответствуют диапазону V _GS > V _{n ↔ p} , V _GS ~ V _{n ↔ p} , и V _GS < V _{n ↔ p} соответственно . Примечательно, что ответы на фотопереключения сильно зависели от диапазона V _GS была ли она отожжена или нет. По мере уменьшения V _GS от 5 до - 90 В в случае перед отжигом длительная фотопроводимость (отмечена пунктирными кружками на рис. 4) исчезает при V _GS =- 15 В (рис. 4c), а затем снова появилось при V _GS =- 90 В (рис. 4д). Это V _GS -зависимые характеристики фотопереключения в основном связаны с изменением динамики носителей заряда с помощью приложенного V _GS [31]. В зависимости от применяемого V _GS влияющий на расположение уровня Ферми (E _F ), количество введенных носителей после выключения облучения может быть определено (Дополнительный файл 1:Рисунок S5) [31]. Мы предложили ленточные диаграммы для объяснения этих сложных V _GS -зависимые характеристики фотопереключения при включении и выключении облучения (см. раздел 4 в Дополнительном файле 1).

а W и b Пики Se в XPS-спектрах WSe ₂ до и после отжига при 250 ° C в течение 1 и 5 часов при комнатной температуре. c Схема структурных изменений в WSe ₂ вызвано термическим отжигом в окружающей среде

На рис. 4a, b показано, что характеристики фотопереключения улучшились при V _GS =5 В ( В _GS > V _{n ↔ p} ) термическим отжигом, что согласуется с результатами на рис. 3. Такое поведение также можно объяснить ускоренными процессами рекомбинации на сайтах индуцированной рекомбинации между WSe ₂ и WO ₃ интерфейс. Результат PL продемонстрировал существование сайтов безызлучательной рекомбинации в WO ₃ / WSe ₂ , о чем мы поговорим позже. В V _GS =- 15 В ( В _GS ~ V _{n ↔ p} ), мы не смогли наблюдать отчетливого изменения после термического отжига из-за очень быстрых характеристик фотопереключения (рис. 4в, г). Такое быстрое переключение происходит из-за местоположения E _F в середине WSe ₂ запрещенная зона, которая подавляет инжекцию дополнительного заряда после выключения облучения (подробности см. в разделе 4 Дополнительного файла 1). В случае V _GS =- 90 В (рис. 4д, е), τ _распад и τ _{длинный} сохранялись и укорачивались соответственно, хотя ток после отжига был намного выше, чем до отжига (более чем в 20 раз). Важно отметить, что существует компромисс между фотоиндуцированным током и постоянными времени затухания в фототранзисторах, поскольку захваченные фотогенерированные неосновные носители могут создавать дополнительное электрическое поле, что приводит к увеличению тока в канале и требует непрерывной инжекции заряда даже после облучения. выключен [32, 33]. В связи с этим сохранение τ _распад и укороченный τ _{длинный} несмотря на значительно увеличенный фотоиндуцированный ток, означает улучшенные характеристики фотопереключения за счет отжига в окружающей среде, как показано на рис. 4e, f. Что касается τ _рост , расположение E _F перемещается в валентную зону за счет p-легирования, что приводит к усилению незарядовой нейтральности из-за уменьшения количества мест захвата дырок, которые могут занимать фотогенерированные дырки (дополнительный файл 1:рисунок S6a). Из-за сильной нейтральности заряда при облучении вводится больше зарядов для обеспечения нейтральности заряда. И фотогенерированные носители будут подвергаться большему рассеянию на свободных носителях при прохождении через канал, чтобы вносить вклад в фототок, так что τ _рост время может стать длиннее. По этой причине τ _рост становится длиннее на V _GS =- 90 В после термического отжига, как показано на рис. 4e, f (более подробную информацию см. В разделе 4 Дополнительного файла 1).

На рис. 5a, b показаны результаты анализа XPS для исследования изменений элементного состава WSe ₂ . термическим отжигом при комнатной температуре. Хотя отжига при 200 ° C в течение 1 часа было достаточно для изменения как электрических характеристик, так и характеристик фотопереключения, как показано на рис. 2 и 3, этих температуры и времени отжига было недостаточно для наблюдения за изменением элементного состава WSe ₂ . Таким образом, механически расслоенный WSe ₂ хлопья были отожжены при 250 ° C в течение 1 часа и 5 часов в окружающей среде для анализа XPS, как показано на рис. 5a, b. Следует отметить, что интенсивности двух пиков вольфрама (обозначенных как W ⁶⁺ на рис. 5а) при энергиях связи 35,5 эВ и 37,8 эВ постепенно увеличивались с увеличением времени отжига, тогда как изменения интенсивности пиков селена не наблюдались. Пики вольфрама W ⁶⁺ генерируемые термическим отжигом, указывают на образование WO ₃ из-за реакции WSe ₂ кислородом воздуха при отжиге [20, 34]. С другой стороны, образование оксидов селена, таких как Se ₂ О ₃ , не было заметно (рис. 5б). На рисунке 5c показаны схемы микроскопической структуры до и после WSe ₂ . окисление путем отжига, и они основаны на реальной геометрической структуре WSe ₂ и кубический WO ₃ (Длина связи W-Se 2,53 Å, длина связи Se-Se 3,34 Å, длина связи W-O 1,93 Å) [20, 35, 36]. Начиная с WSe ₂ имеет гексагональную структуру, а WO ₃ имеет кубическую структуру, WSe ₂ -WO ₃ структура представляет собой простеганный в плоскости гетеропереход, как показано на рис. 5в [20]. Следовательно, происхождение измененных электрических свойств после отжига на окружающей среде (рис. 2а, б) можно объяснить образованием WO ₃ . Сформированный WO ₃ может служить акцептором из-за разницы рабочих функций WSe ₂ (~ 4,4 эВ) и WO ₃ (~ 6,7 эВ), что приводит к увеличению I _DS в отрицательном V _GS регион ( V _GS < V _{n ↔ p} ) и уменьшенное I _DS в положительном V _GS регион ( V _GS > V _{n ↔ p} ) [20, 37, 38]. Подобно нашим результатам, было несколько отчетов о том, что WO ₃ слой, который либо наносится, либо внедряется в WSe ₂ лист вводил p-легирование в WSe ₂ Полевой транзистор [20,21,22].

а Рамановские спектры WSe ₂ после отжига при температуре 200 ° C в течение 60 минут (черная линия), при 350 ° C в течение 60 минут (красная линия) и при 500 ° C в течение 5 минут (синяя линия). Изображения-вставки соответствуют оптическим изображениям до и после отжига при 500 ° C соответственно. Масштабная линейка =15 мкм. б Рамановские изображения после отжига при 500 ° C, интегрированные с полосами при 712 см ⁻¹ и 806 см ⁻¹ , соответственно. Масштабная линейка =10 мкм. c Оптическая ширина запрещенной зоны WSe ₂ до, после отжига при температуре 250 ° C в течение 30 мин, после отжига в течение 60 мин. Изображение-вставка - это оптическое изображение монослоя WSe ₂ чешуйки (обозначены как образец 1) с масштабной линейкой =10 мкм. г Максимальная интенсивность ФЛ и соответствующие изображения картирования ФЛ с масштабной полосой 10 мкм

Мы провели эксперименты по спектроскопии комбинационного рассеяния света и фотолюминесценции, чтобы исследовать оптическое влияние образования WO ₃ . На рисунке 6а показаны спектры комбинационного рассеяния света WSe ₂ . после отжига на окружающей среде при 200 ° C в течение 60 минут (черная линия), при 350 ° C в течение 60 минут (красная линия) и при 500 ° C в течение 5 минут (синяя линия). Появление новых пиков в районе 712 см ⁻¹ и 806 см ⁻¹ отжигом при 500 ° C, что очень близко к пикам комбинационного рассеяния WO ₃ (709 см ⁻¹ и 810 см ⁻¹ ) [39], поддерживают образование WO ₃ слой на WSe ₂ поверхность. На вставке представлены оптические изображения до и после отжига при 500 ° C в течение 5 мин. Рамановские изображения, объединенные с полосами 712 см ⁻¹ и 806 см ⁻¹ на рис. 6b показан однородный WO ₃ формирование на WSe ₂ поверхность.

а Рамановские спектры WSe ₂ после отжига при температуре 200 ° C в течение 60 минут (черная линия), при 350 ° C в течение 60 минут (красная линия) и при 500 ° C в течение 5 минут (синяя линия). Изображения-вставки соответствуют оптическим изображениям до и после отжига при 500 ° C соответственно. Масштабная линейка =15 мкм. б Рамановские изображения после отжига при 500 ° C, интегрированные с полосами при 712 см ⁻¹ и 806 см ⁻¹ , соответственно. Масштабная линейка =10 мкм. c Оптическая ширина запрещенной зоны WSe ₂ до, после отжига при температуре 250 ° C в течение 30 мин, после отжига в течение 60 мин. Изображение-вставка - это оптическое изображение монослоя WSe ₂ чешуйки (обозначены как образец 1) с масштабной линейкой =10 мкм. г Максимальная интенсивность ФЛ и соответствующие изображения картирования ФЛ с масштабной полосой 10 мкм

Спектроскопический анализ ФЛ проводился для двух разных монослоев WSe ₂ хлопья (обозначенные как образец 1 и образец 2), как показано на рис. 6c. Вставка на рис. 6c соответствует оптическому изображению образца 1. Каждый WSe ₂ Хлопья отжигались 30 мин и 60 мин при 250 ° C при комнатной температуре. Оптические и ФЛ изображения другого монослоя WSe ₂ хлопья (обозначенные как образец 2) представлены в Дополнительном файле 1:Рисунок S7. По мере увеличения времени отжига оптическая запрещенная зона WSe ₂ стал шире. Ширина оптической запрещенной зоны была извлечена из энергии фотонов максимальной интенсивности в спектре ФЛ, поскольку это соответствует резонансной флуоресценции, происходящей из запрещенной зоны. В то время как оптическая ширина запрещенной зоны образца 1 была измерена как ~ 1.60 эВ перед отжигом, что соответствует ширине запрещенной зоны монослоя WSe ₂ В [27] величина запрещенной зоны изменилась до ~ 1.61 эВ после отжига в течение 60 мин. Хотя увеличение ширины запрещенной зоны в оптическом диапазоне (~ 10 мэВ) небольшое, это явление можно объяснить образованием WSe ₂ -WO ₃ плоские гетеропереходы и эффект диэлектрического экранирования. Поскольку WO ₃ имеет большую ширину запрещенной зоны 2,75 эВ по сравнению с WSe ₂ (1,60 эВ для монослоя) [40], оптическая ширина запрещенной зоны монослоя WSe ₂ хлопья увеличились в результате отжига на окружающей среде. Кроме того, образование WO ₃ на WSe ₂ может создавать более сильный эффект диэлектрического экранирования из-за большей диэлектрической проницаемости WO ₃ (~ 90) по сравнению с WSe ₂ (~ 22) [41, 42]. Следовательно, более сильный эффект диэлектрического экранирования приводит к уменьшению энергии связи экситона и небольшому увеличению оптической ширины запрещенной зоны во время термического отжига [43].

Интересно, что с точки зрения интенсивности ФЛ она, очевидно, уменьшалась с увеличением времени отжига, как показано на рис. 6d. Поведение тушения ФЛ монослоя WSe ₂ можно легко наблюдать на изображениях картирования ФЛ, интегрирующих интенсивность ФЛ в области пика, по мере увеличения времени отжига (вставка на рис. 6d). Подобное явление наблюдалось в MoS ₂ обработанные кислородной плазмой [44]. Эти результаты можно объяснить следующим образом. Поскольку WO ₃ имеет непрямую запрещенную зону [40], зонная структура WSe ₂ может быть частично заменен на схему с непрямой запрещенной зоной, что приводит к снижению интенсивности ФЛ. Кроме того, несоответствие решеток между WSe ₂ и WO ₃ структуры обеспечивают ловушки и сайты рекомбинации в запрещенной зоне WSe ₂ которые могут повлиять на электрические и оптические характеристики WSe ₂ . Например, беспорядок, дефекты и вакансии серы могут создавать мелкие или глубокие ловушки в MoS ₂ слоев, вызывающих процесс рекомбинации [31, 45]. Следовательно, по мере увеличения времени отжига беспорядок и дефекты, возникающие из-за несоответствия кристаллической решетки WSe ₂ -WO ₃ структура приводит к безызлучательной рекомбинации (Шокли-Рид-Холл) [45] и к снижению интенсивности ФЛ. В совокупности экспериментальные результаты спектроскопии XPS, комбинационного рассеяния света и фотолюминесценции демонстрируют образование WO ₃ на WSe ₂ поверхность путем отжига на окружающей среде, и это хорошо согласуется с недавними исследованиями по окислению 2D материалов [20, 46]. Кроме того, анализ спектроскопии ФЛ подтвердил, что сайты безызлучательной рекомбинации, индуцированные WO ₃ слой может способствовать улучшенным характеристикам фотопереключения, способствуя процессам рекомбинации.

Выводы

Таким образом, мы изготовили амбиполярный WSe ₂ Полевые транзисторы и изучили электрические свойства и реакции фотопереключения до и после термического отжига в окружающей среде. Мы заметили, что WSe ₂ Полевые транзисторы были успешно легированы p-типом, и что реакции фотопереключения стали значительно быстрее после термического отжига в окружающей среде. Исследования XPS, Рамана и PL показали, что WO ₃ слой, сформированный на WSe ₂ Поверхность может играть роль р-легирующего слоя и сайтов безызлучательной рекомбинации, способствуя более быстрому фотопереключению. This study provides a deeper understanding of effects on electrical and optoelectronic characteristics of ambipolar WSe₂ FETs by the facile p-doping process via the thermal annealing in ambient.

Доступность данных и материалов

Все данные полностью доступны без ограничений.

Сокращения

2D:

Two-dimensional;

AFM:

Атомно-силовая микроскопия

FET:

Field-effect transistor;

PL:

Photoluminescence;

TMD:

Transition metal dichalcogenides;

XPS:

X-ray photoelectron spectroscopy;