大面积/少层PtS2材料制备与物理特性研究

从1947年第一只晶体管的诞生，到1958年第一块集成电路的出现，微电子技术历经了半个多世纪的发展，现如今给人类社会发展带来了极大方便。作为信息产业基础的半导体材料是微电子、光电子及太阳能等工业的基石，对我国的工业、科技以及国防事业发展都有至关重要的意义。石墨烯作为典型的二维纳米材料材料，具备化学、光、电、机械等一系列优良的特性而得到广泛应用，但石墨烯存在零带隙、光吸收率低等缺点限制了其更广泛的应用，与此同时类石墨烯材料应运而生，过渡金属硫族化合物（Transition Metal Dichalcogenides, TMDs）作为类石墨烯材料的典型代表不仅具备类似石墨烯的范德华力结合的层状结构，还拥有优异的光、电、磁等性能，更好地弥补了石墨烯的缺点，大大拓宽了半导体材料的实际应用范围。

硫化铂(Platinum sulfide, PtS2)作为TMDs家族的重要成员，具有较宽且可调带隙、光-物质相互作用强和稳定性好等特点，是半导体器件的潜在候选者。特别是近年来伴随着电子元器件尺寸的进一步缩小和集成程度提高，半导体产业的瓶颈愈加凸显，TMDs的出现给现代电子技术领域带来了新的发展机遇。然而当今二维材料共同面对的比如材料面积不大、不易转移等问题对半导体产业的发展形成了一定的影响。

针对上述问题，2021年初，云南大学材料与能源学院、云南省微纳材料与技术重点实验室杨鹏，万艳芬团队通过物理气相沉积(Physical vapor deposition, PVD)和化学气相沉积(Chemical vapor deposition, CVD)相结合的方式实现制备大面积(cm2)少层、均匀的PtS2材料并表征了相关物理特性，昆明理工大学材料科学与工程学院王枭团队提供理论计算支持。

图1 (a)PtS2的原子构型 (b)大面积少层PtS2光学图像 (c)少层PtS2光学显微镜图 (d)少层PtS2上不同位置的AFM高度分布。

图2 (a)剥离的的PtS2高分辨透射电子显微镜图像 (b)晶格条纹图 (c)对应红色方框的快速傅里叶变换衍射图。

图3 (a)单层PtS2的能带和态密度 (b)双层PtS2的能带结构 (c)PtS2块体材料的能带结构 (d) 不同层数的PtS2的带隙值变化图 (e)不同层数PtS2的导带和价带变化

图4 (a)大面积少层PtS2的制备示意图 (b)样品三个不同位置获得的拉曼光谱 (c) PtS2的光致发光光谱

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图5 (a)少层PtS2的X-射线光电子能谱(XPS) (b) Pt的XPS能谱 (c) S的XPS能谱

图6 (a)少层PtS2扫描电镜图像 (b)少层PtS2元素含量 (c) Pt元素mapping图 (d) S元素mapping图

图7 少层PtS2的偏振拉曼测量 (a)角度分辨偏振拉曼光谱原理图 (b)分别在温度300K(蓝线)、200K(黑线)、100K(红线)、12K(绿线)不同偏振角度下拉曼振动模式的强度变化（点是实验数据，实线是对数据的拟合）(c - f)温度为300 K (c)、200 K (d)、100 K (e)和12K (f)偏振拉曼振动模式强度极性图

图8 大面积少层PtS2的场效应晶体管（Field effect transistor, FET)特性 (a) FET示意图 (b) FET的Is - Vds特性 (c)不同漏源极电压FET器件Id-Vbg转移曲线 (d) FET的Is - Vds输出曲线

图9 大面积少层PtS2的光电流特性 (a)光电器件横截面图 (b) PtS2光电器件在不同光功率下的电流- Vg曲线 (c) PtS2 光电器件在不同光功率下的电流- Vds曲线

图10 大面积少层PtS2的C-V性能 (a)不同探测频率下PtS2的C-V特性 (b)在-1V、0V、1V不同偏压下，电容随频率的变化图

图11 PtS2在SiO2/Si衬底上的KPFM图像 (a) PtS2样品的AFM高度图 (b)基于开尔文探针力显微镜（Kelvin probe force microscope, KPFM ）测量PtS2的功函数图像 (c)PtS2的功函数展示 (d)基于开尔文探针力显微镜（Kelvin probe force microscope, KPFM ）测量PtS2的表面电势图像 (e) PtS2的表面电势展示

图12 (a) PtS2表面的静电势分布 (b)单层PtS2的静电势和功函数 (c)不同层间PtS2的功函数变化

图13 PtS2的拉曼光谱强度在氧等离子体处理前后的变化 (a) O2等离子体处理PtS2的示意图(b)O2等离子体处理不同时间的拉曼光谱变化 (c)O2等离子体处理时间为分钟数量级的拉曼光谱变化

总结

综上所述，作者通过物理气相沉积与化学气相沉积相结合的方式实现了大面积、均匀性的PtS2材料制备，同样地，将实验与计算模拟相结合的方式对PtS2的合成、结构以及物理特性进行了探究，展示了PtS2的原子结构示意图、温度依赖极化拉曼光谱及光电器件搭建测试等工作。大面积的少层材料制备可降低光电器件的搭建难度以及提高材料转移的成功率。该项制备策略提供了作为合成部分其他TMDs材料的通用方法。

相关研究成果以“Large-area uniform few-layer PtS2: Synthesis, Structure and Physical Properties, (https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2021.100376) ”发表在国际著名材料学术刊物Materials Today Physics上，文章第一作者为云南大学材料与能源学院研究生陆江伟，通讯作者为杨鹏、万艳芬、王枭，该研究得到了国家自然科学基金、云南省应用基础研究计划项目、云南大学高层次引进人才经费的支持。  

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