堆疊轉(zhuǎn)角調(diào)控下的單層二硫化鉬/石墨烯異質(zhì)結(jié)的垂直電學(xué)行為

堆疊轉(zhuǎn)角調(diào)控下的單層二硫化鉬/石墨烯異質(zhì)結(jié)的垂直電學(xué)行為

近年來(lái)，二維材料以其優(yōu)異的電學(xué)、光學(xué)以及力學(xué)性質(zhì)被廣泛關(guān)注和研究。得益于二維材料層狀結(jié)構(gòu)及弱層間范德華相互作用，不同的二維材料可以像樂(lè)高積木一樣相互組合形成各種二維材料異質(zhì)結(jié)。正如樂(lè)高積木有無(wú)窮種搭建方式，二維材料也可以組合出具有不同性能的二維材料異質(zhì)結(jié)，這為器件應(yīng)用和諸多基礎(chǔ)物理現(xiàn)象研究提供了一個(gè)絕佳的材料體系。另外，通過(guò)調(diào)節(jié)二維材料異質(zhì)結(jié)堆疊結(jié)構(gòu)，二維材料異質(zhì)結(jié)的性能可以進(jìn)一步被改變，甚至產(chǎn)生許多新奇的物理現(xiàn)象。



二維材料異質(zhì)結(jié)的堆疊轉(zhuǎn)角調(diào)控作為一種重要手段，引起了二維材料研究領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。目前已經(jīng)報(bào)道了有許多有趣的異質(zhì)結(jié)堆疊轉(zhuǎn)角調(diào)控現(xiàn)象，例如零轉(zhuǎn)角石墨烯/六方氮化硼異質(zhì)結(jié)的量子輸運(yùn)性質(zhì)、轉(zhuǎn)角控制下的石墨烯/六方氮化硼/石墨烯異質(zhì)結(jié)共振隧穿、轉(zhuǎn)角二硒化鉬/二硒化鎢層間激子形成、以及小轉(zhuǎn)角（魔角）雙層石墨烯中的莫特絕緣體轉(zhuǎn)變和超導(dǎo)現(xiàn)象等。因此研究堆疊轉(zhuǎn)角對(duì)二維材料異質(zhì)結(jié)性質(zhì)的影響具有重大意義。



近日，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心納米物理與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張廣宇研究組博士研究生廖夢(mèng)舟與北京理工大學(xué)姚裕貴研究組博士研究生吳澤文合作，結(jié)合掃描探針技術(shù)和第一性原理計(jì)算，研究了堆疊轉(zhuǎn)角調(diào)控下的單層二硫化鉬/石墨烯異質(zhì)結(jié)的垂直電學(xué)行為。實(shí)驗(yàn)獲得的結(jié)果為理解堆疊轉(zhuǎn)角對(duì)異質(zhì)結(jié)性能影響提供了重要的信息。

堆疊轉(zhuǎn)角調(diào)控下的單層二硫化鉬/石墨烯異質(zhì)結(jié)的垂直電學(xué)行為

圖1. 原子力顯微鏡旋轉(zhuǎn)二硫化鉬/石墨烯異質(zhì)結(jié)。a, 原理圖。b-f，不同轉(zhuǎn)角二硫化鉬/石墨烯異質(zhì)結(jié)。

堆疊轉(zhuǎn)角調(diào)控下的單層二硫化鉬/石墨烯異質(zhì)結(jié)的垂直電學(xué)行為

圖2. 堆疊轉(zhuǎn)角調(diào)控二硫化鉬/石墨烯異質(zhì)結(jié)電學(xué)行為。a, 導(dǎo)電原子力顯微鏡圖。b，不同堆疊轉(zhuǎn)角二硫化鉬/石墨烯異質(zhì)結(jié)的電阻分布。c，d，0度和30度堆疊轉(zhuǎn)角二硫化鉬/石墨烯異質(zhì)結(jié)隧穿系數(shù)熱力分布圖。e，計(jì)算的隧穿系數(shù)隨堆疊轉(zhuǎn)角的變化。

實(shí)驗(yàn)利用原子力顯微鏡原位操縱與測(cè)量，可以連續(xù)調(diào)控石墨烯上外延生長(zhǎng)的單層二硫化鉬，形成堆疊轉(zhuǎn)角可調(diào)的異質(zhì)結(jié)，并原位測(cè)量了異質(zhì)結(jié)的垂直電導(dǎo)。研究發(fā)現(xiàn)單層二硫化鉬/石墨烯異質(zhì)結(jié)的垂直導(dǎo)電行為強(qiáng)烈依賴(lài)于異質(zhì)結(jié)的堆疊轉(zhuǎn)角，其垂直電阻隨堆疊轉(zhuǎn)角從0度到30度單調(diào)遞增。30度堆疊轉(zhuǎn)角異質(zhì)結(jié)的垂直電阻大約是0度堆疊轉(zhuǎn)角的5倍。第一性原理計(jì)算表明，產(chǎn)生不同堆疊轉(zhuǎn)角下二硫化鉬/石墨烯異質(zhì)結(jié)垂直電阻變化的原因在于不同轉(zhuǎn)角下隧穿電流通過(guò)硫化鉬層的隧穿系數(shù)不同，即隧穿系數(shù)從0度至30度堆疊轉(zhuǎn)角逐漸減小。不同隧穿系數(shù)的產(chǎn)生是由不同堆疊轉(zhuǎn)角下隧穿電流在二硫化鉬層K空間上分布不同所造成的，最終影響了隧穿電流的大小。



由于石墨烯/二硫化鉬異質(zhì)結(jié)具有良好的光電和氣體傳感應(yīng)用潛力，同時(shí)石墨烯電極被廣泛應(yīng)用于降低二位過(guò)渡金屬硫?qū)倩锝佑|電阻。因此這一研究為調(diào)節(jié)二硫化鉬/石墨烯異質(zhì)結(jié)性能提供了指導(dǎo)，同時(shí)為利用石墨烯作為二維過(guò)渡金屬硫?qū)倩锏慕佑|電極以降低接觸電阻提供了一種新的思路，對(duì)二維過(guò)渡金屬硫?qū)倩锏碾娮雍凸怆娖骷?yīng)用具有重大意義。相關(guān)工作發(fā)表在《自然-通訊》(Nature Communications 9，4068，doi:10.1038/s41467-018-06555-w(2018))上。



上述工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（Grant No.2016YFA0300904）、中科院前沿科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（Grant No.QYZDB-SSW-SLH004）、中科院先導(dǎo)B項(xiàng)目（Grant Nos.XDPB06、XDB07010100）、國(guó)家自然科學(xué)基金（Grant Nos.51572289、61734001、11574029、11574361）、科技部（Grants No.2014CB920903）和中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)（Grants No.2018013）等的資助。

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