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[博士论文] 朱一鸣
凝聚态物理 重庆大学 2017(学位年度)
摘要:近年来,二维原子晶体的特殊结构和性质掀起了一股新的研究热潮。二维过渡金属硫族化合物是一类典型的二维原子晶体材料,其优良的性质使其在基础研究和器件应用上都备受关注,如基于柔韧性和半导体特性的柔性显示应用,基于直接带隙、谷旋光特性的新型光电器件,基于电荷密度波相变的新型电学器件等。本博士论文基于所在课题组的二维原子晶体制备基础,研究了多种二维过渡金属硫族化合物迥异于块体材料的电学性质,并将其应用到场效应晶体管、振荡器等电子元器件中,在此过程中还探索并建立了不稳定二维材料(空气敏感、电子束敏感等)的器件微纳制备工艺。论文的具体内容如下:
  1.二维硫化钼(MoS2)及其合金材料的场效应晶体管研究
  使用物理气相沉积法和机械剥离方法分别制备了MoS2(1-x)Se2x,Mo(1-x)WxSe2, Mo(1-x)WxS2等二维合金材料,Mo(1-x)WxS2拉曼光谱表征发现了合金中A′1、E′振动模式的单模行为、双模行为,提出了使用修正的等位移模型(MREI)模型解释合金振动模式的单双模行为,并推导了这两种振动模式的拉曼模位移与合金组份的定量关联,结合实验数据拟合,获得了拉曼位移与组分x的函数关系。
  使用电子束曝光技术,制备了基于 MoS2(1-x)Se2x,Mo(1-x)WxSe2单层、少层的场效应晶体管器件,研究了器件的室温电学性质与组分的关系以及荧光峰为705 nm的合金 MoS2(1-x)Se2x器件的变温电学性质,观察到了随着组分 x的增大二维MoS2(1-x)Se2x合金的场效应晶体管由n型向p型的转变。
  2.二维硫化锆(ZrS2)的场效应晶体管研究
  通过化学气相沉积法,在氮化硼基底上制备 ZrS2二维薄膜,实验发现电子束辐照可对 ZrS2二维薄膜造成损害。通过改进电子束曝光工艺,在材料上预先蒸镀Au膜,再结合湿法刻蚀工艺,制备了特定位置、特定厚度的ZrS2场效应晶体管。
  研究了不同厚度ZrS2器件的室温电学性质,观察到了ZrS2场效应晶体管的电学性质随厚度的变化:阈值电压随着厚度的增加逐渐减小,电导和场效应迁移率随厚度增加而增加;当厚度超过6 nm后,两个参数会饱和,说明了厚层ZrS2二维薄膜中上层材料能有效屏蔽样品表面的杂质对导电沟道中电子的散射。此外,在厚层样品的器件中(8.1 nm和12.1 nm),观测到了材料随着栅压的变化发生了金属-半导体相变。测量了迁移率与温度的关系,通过μ~ T-γ拟合,推断ZrS2场效应晶体管中载流子散射主要来自晶格振动散射、电离杂质散射、界面处电荷陷阱散射。
  3.二维硫化钽(TaS2)的相变振荡器件研究
  建立了易氧化二维材料的场效应晶体管的室温制备工艺,并用于制备1T-TaS2的晶体管器件,电学性质测量发现:温度引起近公度的电荷密度波态(NC-CDW)与非公度的电荷密度波态(IC-CDW)之间的转变;电场激发1T-TaS2在多个亚稳态之间转变,窄沟道的器件需要更高的激发电场。通过设计高频子载体,测试了基于相变负阻效应的振荡器件,获得振荡波形与工作电压之间的变化关系,推断电场引发相变的机制,并提出提高器件频率的优化方案。
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