延世大学Seongil Im团队Small Science：利用多层石墨烯接触测量双极性二维半导体的带隙

在近十年里，二维半导体得到了广泛的研究，亦被认为是未来器件技术最具突破性的材料之一，典型的二维半导体包括过渡金属二硫族化物和黑磷。通过机械剥离等方法，可以制备出这些材料的单层、双层和多层。对于单层或层数较少的二维半导体，可以通过光致发光等光学探测方法来测量其带隙。然而，如果材料的剥离厚度大到几纳米（层数超过5层），光学测量的有效性和准确性就会降低，这是因为二维半导体的光跃迁从直接模式变为了间接模式。除了光致发光法，研究者也尝试了如扫描隧道显微镜、微探针吸收/反射光谱和光谱光电测量等多种技术，但这些方法都需要使用大型的复杂仪器，且其繁琐的操作需要专业的训练。因此，基于密度泛函理论（DFT）的计算是目前估计二维半导体带隙的主要方法。

近日，韩国延世大学的Seongil Im团队在Small Science上发表了研究文章，报道了一种使用多层石墨烯作为源漏极的场效应晶体管，可用于测量厚度较大的黑磷和MoTe₂的带隙。

在本工作中，研究团队在玻璃基底上通过光刻和直流溅射沉积了50nm厚的图案化Pt层作为栅极。之后，将机械剥离的h-BN薄片转移到Pt栅极上形成栅极绝缘体，再将剥离的多层MoSe₂、WSe₂和MoTe₂薄片转移到h-BN上作为晶体管沟道。最后，以同样的方式沉积剥离的石墨烯，再在其上沉积电极和封装层。

在这种场效应晶体管中，当栅极电压为正值时显示n型的电子传导，且n型沟道会随着偏压的减弱而逐渐耗尽。在与多层石墨烯接触时，这些二维半导体会表现出双极性行为，因此肖特基势垒会发生变化。团队通过温度依赖的传输特性曲线对每种材料的最大肖特基势垒高度进行了近似，考虑到沟道的费米能级未发生改变，因此可以通过两倍的肖特基势垒高度来计算得到材料带隙。

作者表示：通过对多种过渡金属二硫族化物进行测量，并比对光致发光、I-V曲线的结果以及文献报道的数值，可以证明这种场效应晶体管测量二维半导体材料带隙的准确度较高；除了探针和常规的电学测量仪器，该方法不需要任何大型设备和复杂操作，因此可以用于多层、大厚度的二维半导体材料的带隙估计。

论文信息：

Measuring the Bandgap of Ambipolar 2D Semiconductors using Multilayer Graphene Contact

Sam Park, Sungjae Hong, June Yeong Lim, Sanghyuck Yu, Jungcheol Kim, Hyeonsik Cheong, Seongil Im*

Small Science

DOI: 10.1002/smsc.202200075