Efeito do p-doping fácil nas características elétricas e optoeletrônicas de transistores de efeito de campo WSe2 ambipolares

Resumo

Nós investigamos as características elétricas e optoeletrônicas do WSe ambipolar ₂ transistores de efeito de campo (FETs) via processo de dopagem p fácil durante o recozimento térmico no ambiente. Através deste recozimento, as moléculas de oxigênio foram dopadas com sucesso no WSe ₂ superfície, que garantiu maior condutividade do tipo p e o deslocamento da curva de transferência para a direção da tensão de porta positiva. Além disso, características de resposta de foto comutação consideravelmente melhoradas do WSe ambipolar ₂ Os FETs foram obtidos por recozimento em ambiente. Para explorar a origem das mudanças nas propriedades elétricas e optoeletrônicas, foram realizadas as análises via fotoelétrons de raios-X, Raman e espectroscopias de fotoluminescência. A partir dessas análises, descobriu-se que WO ₃ camadas formadas pelo recozimento no ambiente introduzido p-dopagem para WSe ambipolar ₂ FETs e distúrbios originados da WO ₃ / WSe ₂ interfaces agiram como locais de recombinação não radiativa, levando a características de tempo de resposta de foto comutação significativamente aprimoradas.

Histórico

Materiais bidimensionais (2D) têm atraído considerável interesse como candidatos promissores para eletrônicos de última geração e dispositivos optoeletrônicos [1, 2]. Embora o grafeno seja um dos materiais 2D mais bem estudados, ele carece de um bandgap intrínseco, o que restringe sua ampla aplicação. Enquanto isso, dichalcogenetos de metais de transição 2D (TMDs), como MoS ₂ , MoSe ₂ , WS ₂ , e WSe ₂ , são vantajosos na medida em que podem ser usados como um material de canal de transistores de efeito de campo (FETs) devido às suas propriedades de bandgap intrínsecas, boa mobilidade da portadora e alta relação on / off [2, 3]. Assim, TMDs têm sido amplamente utilizados em vários dispositivos, como transistores [4,5,6], sensores [7,8,9,10], circuitos lógicos [11], dispositivos de memória [12], dispositivos de emissão de campo [ 13] e fotodetectores [14, 15]. Em particular, FETs baseados em WSe ₂ demonstraram grandes características ambipolares, como alta mobilidade de portadores, excelentes propriedades fotorrespostas, excelente flexibilidade mecânica e durabilidade [16,17,18]. No entanto, doping WSe ₂ é necessário para melhorar ainda mais as mobilidades de efeito de campo ou propriedades de contato que são essenciais em uma variedade de aplicações eletrônicas [16, 19]. Entre muitas abordagens para dopagem, recozimento térmico em ambiente para formar WO ₃ camadas em um WSe ₂ superfície demonstrou ser um processo de dopagem do tipo p fácil e eficiente [20,21,22]. Por exemplo, Liu et al. WSe termicamente recozido ₂ filmes no ambiente sem o uso de substâncias adicionais para dopar os filmes na maneira do tipo p e melhorou a mobilidade do furo para 83 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ com o emprego de substrato de nitreto de boro hexagonal [20]. No entanto, estudos completos sobre as características ópticas e optoeletrônicas do WSe ₂ dopado por WO ₃ são desejados para as aplicações optoeletrônicas, como fototransistores, fotodiodos e diodos emissores de luz [17, 18, 23, 24].

Neste trabalho, exploramos as propriedades elétricas, ópticas e optoeletrônicas do WSe ambipolar ₂ FETs antes e depois do recozimento térmico em ambiente. A camada oxidada (WO ₃ ) formado em um WSe ₂ superfície durante o recozimento introduziu com sucesso p-dopagem para o WSe ambipolar ₂ FETs, levando a um deslocamento da curva de transferência para a direção da tensão de porta positiva. Curiosamente, a fotocondutividade de longa duração, que é um fenômeno em que a condutância é retida após o desligamento da irradiação de luz, desapareceu após o recozimento. Além disso, realizamos vários experimentos, como espectroscopia de fotoelétrons de raios-X (XPS), espectroscopia de fotoluminescência (PL) e espectroscopia Raman para investigar a origem das alterações nas características elétricas e de fotomutação do WSe ambipolar ₂ FETs.

Métodos

WSe ₂ flocos foram preparados pelo método de esfoliação micromecânica a partir de um WSe ₂ cristal, e foram transferidos para um SiO ₂ de 270 nm de espessura camada em um wafer p ++ Si fortemente dopado (resistividade ~ 5 × 10 ⁻³ Ω cm) que foi usado como porta traseira dos dispositivos FET. A espessura do WSe ₂ os flocos foram medidos usando um microscópio de força atômica (NX 10 AFM, Park Systems). Para criar padrões de eletrodo, usamos poli (metacrilato de metila) (PMMA) 495K (concentração de 11% em anisol) como uma camada resistente a elétrons a 4000 rpm. Após o spin-coating, as amostras foram cozidas em placa quente a 180 ° C por 90 s. Projetamos os padrões de eletrodos usando um instrumento de litografia por feixe de elétrons (JSM-6510, JEOL) e desenvolvemos os padrões com uma solução de metil isobutil cetona / álcool isopropílico (1:3) por 120 s. Finalmente, eletrodos de titânio metálico (30 nm de espessura) foram depositados usando um evaporador de feixe de elétrons (KVE-2004L, Korea Vacuum Tech).

O recozimento térmico em ambiente foi realizado em uma placa quente em certas temperaturas. O recozimento térmico no vácuo foi realizado usando um sistema de recozimento térmico rápido (KVR-4000, Korea Vacuum Tech) em 4,5 × 10 ⁻⁴ Torr e 200 ° C durante 1 h.

As medições de fotoluminescência e espectroscopia Raman foram realizadas usando um sistema de imagem confocal (XperRamn 200, Nanobase) com o comprimento de onda do laser incidente de 532 nm. As medidas de espectroscopia de fotoelétrons de raios X foram realizadas em analisador de energia de elétrons (AXIS SUPRA, Kratos). As características elétricas dos dispositivos foram medidas por meio de uma estação de sondagem (JANIS, ST-500) e um analisador de parâmetros semicondutores (Keithley 4200-SCS). As fotorrespostas dos dispositivos foram medidas sob iluminação a laser (MDE4070V).

Resultados e discussão

A Figura 1a mostra as imagens ópticas de um WSe ₂ flocos e um WSe fabricado ₂ FET. O WSe ₂ o floco foi esfoliado mecanicamente de um WSe ₂ em massa cristal e transferido em um SiO ₂ de 270 nm de espessura superfície em um wafer p ++ Si fortemente dopado que foi usado como a porta traseira do FET. Padrões de metal de titânio usados como eletrodos de fonte e drenagem foram depositados no WSe ₂ superfície. O processo de fabricação do dispositivo detalhado é explicado no arquivo adicional 1:Figura S1. Um esquema do WSe ambipolar fabricado ₂ O FET é mostrado na Fig. 1b. Todas as propriedades elétricas e de comutação do WSe ₂ FETs foram medidos no vácuo (~ 3,5 × 10 ⁻³ Torr) uma vez que as moléculas de oxigênio e água no ar podem afetar as propriedades do WSe ₂ FETs. Por exemplo, foi relatado que o tipo semicondutor de WSe ₂ Os FETs podem ser alterados do tipo n para p pela exposição ao ar [25]. Uma imagem de microscopia de força atômica (AFM) do WSe ₂ o floco é exibido na Fig. 1c com o perfil transversal topográfico. A espessura medida do WSe ₂ floco através da linha azul foi encontrado em ~ 1,2 nm (um gráfico inserido na Fig. 1c), correspondendo a bicamada WSe ₂ (a espessura de uma monocamada WSe ₂ é ~ 0,7 nm) [16]. A Figura 1d exibe o espectro Raman de um WSe ₂ mostrando dois picos claros (o pico em 520 cm ⁻¹ é atribuído ao substrato Si). O pico Raman em 245 cm ⁻¹ corresponde ao plano (E ¹ _2g modo) ou fora do plano (A _1g modo) vibrações de WSe ₂ , e o pico Raman em 308 cm ⁻¹ corresponde ao B ¹ _2g modo que só aparece em multicamadas WSe ₂ devido à interação interlayer adicional [26]. Esta descoberta garante a boa qualidade do WSe ₂ floco usado nesses experimentos. O E ¹ _2g e A _1g picos de WSe ₂ não puderam ser distinguidos pelo instrumento de espectroscopia Raman neste estudo porque eles são quase degenerados [27]. A Figura 1e mostra a curva de transferência (corrente fonte-dreno versus tensão de porta; I _DS - V _GS curva) da WSe ambipolar ₂ FET. Tal comportamento de transporte ambipolar de um WSe ₂ FET é devido ao número de WSe ₂ camadas (bicamada) que podem determinar o tipo de portadora principal no FET [28, 29].

a Imagens ópticas de um WSe ₂ em flocos (à esquerda) e WSe fabricado ₂ FET (à direita). b Esquema do WSe fabricado ₂ FET com contatos Ti. c Imagem AFM e d Espectros Raman de WSe ₂ . e eu _DS - V _GS curvas do WSe ambipolar ₂ FET

A Figura 2a mostra o I _DS - V _GS curvas do WSe ₂ FET antes e depois de um recozimento térmico em ambiente a 200 ° C por 1 h. As curvas de saída (corrente fonte-dreno versus tensão fonte-dreno; I _DS - V _DS curva) do mesmo WSe ₂ FET antes e depois do recozimento são mostrados no arquivo adicional 1:Figura S2. Vários pontos são observados aqui. Primeiro, a voltagem na qual o tipo de portadoras majoritárias muda ( V _{n ↔ p} ) mudou de - 15 para - 5 V após o recozimento no ambiente (representado pela seta verde na Fig. 2a). Em segundo lugar, o eu _DS aumentou significativamente no V _GS onde a maioria dos portadores são buracos ( V _GS < V _{n ↔ p} ) e diminuiu no V _GS onde a maioria dos portadores são elétrons ( V _GS> V _{n ↔ p} ) após o recozimento (representado pelas setas azuis na Fig. 2a). Este comportamento é atribuído ao WO ₃ camada formada pelo recozimento que introduz p-dopagem no WSe ₂ FETs [20]. Terceiro, após o recozimento, a mobilidade do furo aumentou de 0,13 para 1,3 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ , e a mobilidade do elétron diminuiu de 5,5 para 0,69 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ . Usamos a fórmula μ =(d eu _DS / d V _GS ) × [ L / ( WC _i V _DS )] para calcular a mobilidade da portadora, onde L (~ 1,5 μm) é o comprimento do canal, W (~ 2,8 μm) é a largura do canal e C _i = ε ₀ ε _r / d =1,3 × 10 ⁻⁴ F m ⁻² é a capacitância entre WSe ₂ e o wafer de p ++ Si por unidade de área. Aqui, ε _r (~ 3.9) é a constante dielétrica de SiO ₂ e d (270 nm) é a espessura do SiO ₂ camada. Essas mudanças nas propriedades elétricas após o recozimento podem ser observadas mais claramente nos gráficos de contorno que mostram o I _DS em função de V _GS e V _DS antes (painel superior) e depois (painel inferior) do recozimento em ambiente (Fig. 2b). Esses gráficos de contorno foram feitos com base em muito I _DS - V _GS curvas medidas no V _GS variam de - 70 a 70 V com uma etapa de 1,25 V e V _DS faixa de 3 a 6 V com uma etapa de 0,25 V. As regiões azuis nos gráficos de contorno mudaram em direção ao V positivo _GS direção após o recozimento. Este deslocamento é consistente com o deslocamento da curva de transferência mostrado pela seta verde na Fig. 2a. A mudança na cor no positivo e negativo V _GS (Fig. 2b) após o recozimento indica a mudança na corrente do canal do WSe ₂ FET (Fig. 2a). Outro WSe ₂ Os FETs também mostraram a mesma mudança nas propriedades elétricas após o recozimento no ambiente (consulte o Arquivo Adicional 1:Figuras S3 e S4 no Arquivo Adicional). Além disso, a mudança das características elétricas pelo recozimento do WSe ₂ FET no vácuo (~ 4,5 × 10 ⁻⁴ Torr) a 200 ° C durante 1 h foi investigado (Fig. 2c, d). Em contraste com os resultados do FET recozido em ambiente, o I _DS aumentou em V _GS condições de V _GS> V _{n ↔ p} e V _GS < V _{n ↔ p} . O aumento eu _DS obtido por recozimento no vácuo é atribuído ao WSe ₂ melhorado -Ti contatos sem formação de WO ₃ [30]. A partir dos resultados da comparação, pode-se antecipar que o p-dopagem foi introduzido pela interação com as moléculas de oxigênio durante o recozimento no ambiente. As origens da mudança nas características elétricas são discutidas em mais detalhes por meio da análise dos dados XPS posteriormente.

a , c eu _DS - V _GS curvas na escala semilogarítmica de um WSe ₂ FET antes do recozimento e após o recozimento a 200 ° C por 1 h. b , d Parcelas de contorno de I _DS em função de V _GS e V _DS antes do recozimento (painel superior) e após o recozimento a 200 ° C por 1 h (painel inferior)

Em seguida, medimos as características de comutação de fotos do WSe ₂ FET antes e depois do recozimento térmico em ambiente (Fig. 3a, b). As características elétricas deste FET são mostradas no arquivo Adicional 1:Figura S3. O laser foi irradiado no WSe ₂ FET e foi desligado quando a corrente fonte-dreno pareceu ficar saturada. Observe que os experimentos de fotoativação foram realizados em V fixo _GS =0 V, V _DS =10 V, o comprimento de onda do laser de 405 nm e a densidade de potência do laser de 11 mW / cm ² . A Figura 3a, b mostra as características de foto-comutação antes e depois do recozimento em ambiente, respectivamente. Neste estudo, a constante de tempo de subida ( τ _aumento ) é definido como o tempo necessário para a fotocorrente (diferença entre as correntes medidas no escuro e sob irradiação, ou seja, I _ph = eu _irra - eu _escuro ) para mudar de 10 a 90% do máximo, e o tempo de decaimento ( τ _decadência ) é o momento em que a fotocorrente diminui para 1 / e de seu valor inicial. As regiões roxas na Fig. 3a, b indicam o tempo sob a irradiação do laser. Observamos uma mudança dramática nos tempos de resposta da comutação de fotos do WSe ₂ FET após o recozimento térmico. Ambos τ _aumento e τ _decadência diminuiu de 92,2 e 57,6 s para menos de 0,15 se 0,33 s, respectivamente (correspondendo à diminuição de mais de 610 vezes e 170 vezes, respectivamente). Observe que τ _aumento e τ _decadência após o recozimento não pôde ser medido com precisão devido às limitações do instrumento. Para verificar se a mudança nos tempos de resposta do fotointerruptor é devido ao efeito da oxidação do WSe ₂ camadas, comparamos o comportamento de comutação de fotos do WSe ₂ FET antes e depois do recozimento térmico no vácuo (~ 4,5 × 10 ⁻⁴ Torr) a 200 ° C durante 1 h (Fig. 3c, d). Ao contrário da diminuição dramática dos tempos de resposta do photoswitching para o FET recozido no ambiente, uma mudança relativamente pequena de τ _aumento (de 148 a 131 s) e τ _decadência (de 166 a 102 s) foram observados para a amostra recozida no vácuo. Este resultado significa que a oxidação do WSe ₂ superfície por recozimento no ambiente é uma origem importante para a resposta rápida de foto comutação. A razão da melhoria do comportamento de photoswitching por recozimento no ambiente é que a incompatibilidade de rede entre o WSe ₂ e WO ₃ estruturas fornecem armadilhas e locais de recombinação no bandgap de WSe ₂ , que pode promover os processos de recombinação de portadores fotogerados.

Respostas de comutação de fotos de WSe ambipolar ₂ FETs a , c antes e depois do recozimento b em ambiente a 200 ° C por 1 h e d no vácuo, respectivamente. Todos os dados foram medidos em V _GS =0 V e V _DS =10 V

Além disso, para uma investigação mais aprofundada sobre a origem das características de foto comutação de longa duração após desligar o laser, as características de foto comutação em vários V _GS foram investigados (Fig. 4). As características elétricas deste FET são mostradas no Arquivo Adicional 1:Figura S4. O V aplicado _GS =5 V, V _GS =- 15 V e V _GS =- 90 V correspondem à faixa de V _GS> V _{n ↔ p} , V _GS ~ V _{n ↔ p} e V _GS < V _{n ↔ p} , respectivamente . Um ponto notável é que as respostas de foto-alternância dependeram fortemente do intervalo de V _GS se foi recozido ou não. Como decrescente V _GS de 5 a - 90 V no caso de antes do recozimento, a fotocondutividade de longa duração (marcada como círculos pontilhados na Fig. 4) desaparece em V _GS =- 15 V (Fig. 4c) e então reapareceu em V _GS =- 90 V (Fig. 4e). Este V _GS -características de foto comutação dependente são principalmente devido à dinâmica da portadora de carga alterada pelo V aplicado _GS [31]. Dependendo do V aplicado _GS afetando a localização do nível de Fermi (E _F ), a quantidade de portadores injetados após desligar a irradiação pode ser determinada (Arquivo adicional 1:Figura S5) [31]. Propusemos os diagramas de bandas para explicar esses complexos V _GS - características de foto comutação dependente em detalhes quando a irradiação é ligada e desligada (consulte a seção 4 no arquivo adicional 1).

a W e b Picos de Se nos espectros XPS de WSe ₂ antes e depois do recozimento em ambiente a 250 ° C por 1 he 5 h. c Esquemas das mudanças estruturais no WSe ₂ causado por recozimento térmico no ambiente

A Figura 4a, b mostra que as características de comutação de fotos melhoraram em V _GS =5 V ( V _GS> V _{n ↔ p} ) pelo recozimento térmico, que está de acordo com os resultados da Fig. 3. Este comportamento também pode ser explicado pelos processos de recombinação promovidos nos locais de recombinação induzida entre WSe ₂ e WO ₃ interface. O resultado PL demonstrou a existência de locais de recombinação não radiativa em WO ₃ / WSe ₂ , que será discutido posteriormente. Em V _GS =- 15 V ( V _GS ~ V _{n ↔ p} ), não pudemos observar a mudança distinta após o recozimento térmico devido às características de foto comutação altamente rápidas (Fig. 4c, d). Este comportamento de troca rápida de fotos origina-se da localização de E _F no meio do WSe ₂ bandgap, que suprime a injeção de carga adicional após desligar a irradiação (consulte a seção 4 no arquivo adicional 1 para obter detalhes). Para o caso de V _GS =- 90 V (Fig. 4e, f), τ _decadência e τ _longo foram mantidos e encurtados, respectivamente, embora a corrente após o recozimento fosse muito maior do que antes do recozimento (mais de 20 vezes). É importante ressaltar que há um trade-off entre a corrente foto-induzida e constantes de tempo de decaimento em fototransistores, porque os portadores minoritários fotogerados capturados podem produzir um campo elétrico adicional, levando assim ao aumento da corrente do canal e exigindo injeção de carga contínua, mesmo após a irradiação está desligado [32, 33]. A este respeito, a preservação de τ _decadência e encurtado τ _longo apesar do aumento significativo da corrente induzida por foto significar as características de foto comutação aprimoradas pelo recozimento no ambiente, como mostrado na Fig. 4e, f. Em relação a τ _aumento , a localização de E _F move-se para a banda de valência por dopagem p, o que faz com que a neutralidade sem carga se torne mais forte devido à diminuição dos locais de armadilha de orifícios onde os orifícios fotogerados podem ocupar (Arquivo adicional 1:Figura S6a). Devido à forte neutralidade sem carga, sob a irradiação, mais cargas são injetadas para satisfazer a neutralidade de carga. E, portadores fotogerados sofrerão mais espalhamento com portadores livres ao passar pelo canal para contribuir com a fotocorrente, de modo que τ _aumento o tempo pode ficar mais longo. Por esse motivo, o τ _aumento torna-se mais longo em V _GS =- 90 V após o recozimento térmico, conforme mostrado na Fig. 4e, f (consulte a seção 4 no arquivo adicional 1 para obter mais detalhes).

A Figura 5a, b mostra as análises XPS para investigar as mudanças na composição elemental do WSe ₂ pelo recozimento térmico em ambiente. Embora o recozimento a 200 ° C por 1 h tenha sido suficiente para alterar as características elétricas e de foto comutação, conforme mostrado nas Figs. 2 e 3, a temperatura e o tempo de recozimento não foram suficientes para observar a mudança na composição elemental do WSe ₂ . Assim, o WSe ₂ esfoliado mecanicamente flocos foram recozidos a 250 ° C por 1 h e 5 h em ambiente para análises de XPS como mostrado na Fig. 5a, b. Deve-se notar que as intensidades dos dois picos de tungstênio (rotulados como W ⁶⁺ na Fig. 5a) nas energias de ligação de 35,5 eV e 37,8 eV aumentaram gradualmente com o aumento do tempo de recozimento, ao passo que nenhuma mudança foi observada nas intensidades dos picos de selênio. Os picos de tungstênio de W ⁶⁺ gerado pelo recozimento térmico indicam a formação de WO ₃ devido à reação de WSe ₂ com oxigênio no ar durante o recozimento [20, 34]. Por outro lado, a formação de óxidos de selênio, como Se ₂ O ₃ , não foi perceptível (Fig. 5b). A Figura 5c exibe o esquema da estrutura microscópica antes e depois de WSe ₂ oxidação por recozimento, e aqueles são desenhados com base na estrutura geométrica real de WSe ₂ e WO cúbico ₃ (Comprimento da ligação W-Se de 2,53 Å, comprimento da ligação Se-Se de 3,34 Å e comprimento da ligação W-O de 1,93 Å) [20, 35, 36]. Desde WSe ₂ tem uma estrutura hexagonal, enquanto WO ₃ tem uma estrutura cúbica, o WSe ₂ -WO ₃ estrutura é uma heterojunção acolchoada no plano, como mostrado na Fig. 5c [20]. Portanto, a origem das propriedades elétricas alteradas após o recozimento no ambiente (Fig. 2a, b) pode ser explicada pela formação de WO ₃ . O WO formado ₃ pode servir como um aceitador devido à diferença entre as funções de trabalho do WSe ₂ (~ 4,4 eV) e WO ₃ (~ 6,7 eV) que dá origem ao aumento de I _DS no V negativo _GS região ( V _GS < V _{n ↔ p} ) e a diminuição I _DS no positivo V _GS região ( V _GS> V _{n ↔ p} ) [20, 37, 38]. Semelhante aos nossos resultados, houve vários relatos de que um WO ₃ camada que é depositada ou incorporada em um WSe ₂ folha introduzida p-doping em um WSe ₂ FET [20,21,22].

a Espectros Raman do WSe ₂ após o recozimento em ambiente a 200 ° C por 60 min (linha preta), a 350 ° C por 60 min (linha vermelha) e a 500 ° C por 5 min (linha azul). As imagens inseridas correspondem às imagens ópticas antes e depois do recozimento em 500 ° C, respectivamente. Barra de escala =15 μm. b Imagens de mapeamento Raman após recozimento a 500 ° C integrando-se com bandas a 712 cm ⁻¹ e 806 cm ⁻¹ , respectivamente. Barra de escala =10 μm. c Bandgap óptico do WSe ₂ antes, após o recozimento em ambiente a 250 ° C por 30 min, e por 60 min. Uma imagem inserida é a imagem óptica de um WSe monocamada ₂ floco (rotulado como amostra 1) com barra de escala =10 μm. d Intensidade máxima de PL e imagens de mapeamento de PL correspondentes com uma barra de escala de 10 μm

A análise de espectroscopia PL foi conduzida para duas monocamadas diferentes WSe ₂ flocos (rotulados como amostra 1 e amostra 2), conforme mostrado na Fig. 6c. A inserção da Fig. 6c corresponde a uma imagem óptica da amostra 1. Cada WSe ₂ os flocos foram recozidos durante 30 min e 60 min a 250 ° C em ambiente. As imagens ópticas e de mapeamento PL do outro WSe monocamada ₂ flocos (rotulados como amostra 2) são fornecidos no arquivo adicional 1:Figura S7. Conforme o tempo de recozimento aumentava, os bandgaps ópticos do WSe ₂ tornou-se mais amplo. O bandgap óptico foi extraído da energia do fóton de intensidade máxima no espectro PL porque corresponde à fluorescência de ressonância originada do bandgap. Enquanto o bandgap óptico da amostra 1 foi medido como ~ 1,60 eV antes do recozimento correspondente ao bandgap da monocamada WSe ₂ [27], o valor do bandgap mudou para ~ 1,61 eV após o recozimento por 60 min. Embora o aumento (~ 10 meV) do bandgap óptico seja pequeno, este fenômeno pode ser explicado pela formação do WSe ₂ -WO ₃ heterojunções no plano e o efeito de blindagem dielétrica. Desde WO ₃ tem um bandgap maior de 2,75 eV em comparação com WSe ₂ (1,60 eV para uma monocamada) [40], o bandgap óptico da monocamada WSe ₂ flocos aumentaram através do recozimento em ambiente. Além disso, a formação de WO ₃ no WSe ₂ pode gerar um efeito de triagem dielétrico mais forte devido à maior constante dielétrica de WO ₃ (~ 90) em comparação com o WSe ₂ (~ 22) [41, 42]. Consequentemente, o efeito de blindagem dielétrico mais forte leva à diminuição da energia de ligação do exciton e aumenta ligeiramente o bandgap óptico durante o recozimento térmico [43].

Curiosamente, em perspectiva da intensidade de PL, obviamente diminuiu conforme o tempo de recozimento aumentou, conforme mostrado na Fig. 6d. O comportamento de extinção de PL da monocamada WSe ₂ pode ser facilmente observado em imagens de mapeamento de PL integrando a intensidade de PL na região de pico, como aumento do tempo de recozimento (inserção da Fig. 6d). Um fenômeno semelhante foi observado no MoS ₂ tratado por plasma de oxigênio [44]. Esses resultados podem ser explicados a seguir. Desde WO ₃ tem um bandgap indireto [40], a estrutura de banda do WSe ₂ pode ser parcialmente alterado para aquele com um bandgap indireto, o que leva à redução da intensidade da PL. Além disso, a incompatibilidade de rede entre o WSe ₂ e WO ₃ estruturas fornecem armadilhas e locais de recombinação no bandgap de WSe ₂ que podem afetar as características elétricas e ópticas do WSe ₂ . Por exemplo, desordem, defeitos e vacâncias de enxofre podem produzir locais de armadilha rasos ou profundos no MoS ₂ camadas, dando origem ao processo de recombinação [31, 45]. Portanto, à medida que o tempo de recozimento aumentou, a desordem e os defeitos originados da incompatibilidade da rede do WSe ₂ -WO ₃ estrutura leva à recombinação não radiativa (Shockley-Read-Hall) [45] e à intensidade reduzida de PL. Coletivamente, os resultados experimentais das espectroscopias XPS, Raman e PL demonstram a formação de WO ₃ no WSe ₂ superfície por recozimento em ambiente, e essas estão bem de acordo com pesquisas recentes sobre a oxidação de materiais 2D [20, 46]. Além disso, a partir da análise de espectroscopia PL, foi confirmado que os locais de recombinação não radiativa induzida por WO ₃ camada poderia contribuir para as características de foto-alternância aprimoradas, promovendo os processos de recombinação.

Conclusões

Em resumo, nós fabricamos WSe ₂ ambipolar FETs e estudou as propriedades elétricas e as respostas de fotoativação antes e após o recozimento térmico em ambiente. Observamos que o WSe ₂ Os FETs foram dopados com sucesso na forma do tipo p e as respostas de fotoativação tornaram-se consideravelmente mais rápidas após o tratamento térmico ambiente. Os estudos XPS, Raman e PL demonstraram que o WO ₃ camada formada no WSe ₂ superfície pode desempenhar as funções de uma camada de dopagem p e locais de recombinação não radiativa para promover um comportamento de foto-alternância mais rápido. Este estudo fornece uma compreensão mais profunda dos efeitos nas características elétricas e optoeletrônicas do WSe ambipolar ₂ FETs pelo processo de dopagem p fácil através do recozimento térmico em ambiente.

Disponibilidade de dados e materiais

Todos os dados estão totalmente disponíveis sem restrição.

Abreviações

2D:: Bidimensional;
AFM:: Força atômica microscópica
FET:: Transistor de efeito de campo;
PL:: Fotoluminescência;
TMDs:: Dichalcogenetos de metais de transição;
XPS:: Espectroscopia de fotoelétrons de raios-X;

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