ReSe₂–Au结在273–340 K范围内表现出强整流特性

摘要

二维材料的肖特基效应对纳米电子学至关重要。将一片ReSe₂悬浮于Au沉底和Au纳米薄膜之间。该器件最初设计用于测量ReSe₂片的输运性质，但在273-340 K实验中观察到整流行为，整流系数约10。系统分析了微观结构和元素组成。从45°斜视扫描电镜图像可见，ReSe₂片和Au薄膜均与Si衬底接触。ReSe₂/Si和Si/Au接触分别为p-n异质结和肖特基接触。两接触的不对称性导致整流行为。基于热电子发射理论的预测与实验数据吻合良好。

引言

金属-半导体接触的整流行为（电流随施加电压方向变化）广泛应用于肖特基势垒二极管、场效应晶体管（FET）和金属-氧化物-半导体FET。肖特基用半导体侧耗尽层解释该行为。金属与半导体电子功函数差异导致的整流行为称为肖特基效应。当金属功函数高于n型二维半导体或低于p型二维半导体时，金属与二维半导体接触形成肖特基接触。金属/二维材料的肖特基效应在微型光电探测器、微型FET、气体传感器、光晶体管等有重要应用。在二维材料中，过渡金属二硫族化合物（TMDs）因具有可观带隙且随厚度减至单层时从间接带隙转为直接带隙而备受关注。带隙保证了TMDs可用于FET、太阳能电池等。TMDs也用于热电领域。许多实验探索了MoS₂、MoSe₂、WSe₂、WS₂等TMDs的性质和应用。ReSe₂在TMDs中独特，属于VII族TMDs，d轨道多一个电子，导致强面内各向异性。因特殊能带结构，少数研究探索ReSe₂电学性质。已用ReSe₂/WS₂ p-n异质结和ReSe₂/MoS₂ p-n异质结探索电流整流；也制备FET研究ReSe₂/金属或ReS₂/金属接触性质。

本文中，一片ReSe₂悬浮跨越Au沉底和Au纳米带电极。器件原本设计用于测量ReSe₂片的热学和电学导率。测量在340 K、310 K、280 K、273 K下进行。

方法

首先制备带Au电极的Si衬底。400 μm厚未掺杂Si衬底经初始清洗后氧化形成180 nm厚SiO₂层，旋涂320 nm电子束光刻胶。通过电子束光刻制备图形后，物理气相沉积Au制备Au纳米电极和Au纳米薄膜。光刻胶显影后留下Au电极和薄膜。最后用缓冲氢氟酸刻蚀SiO₂层，用CF₄等离子体刻蚀Au纳米薄膜下的Si层，制备悬浮约6 μm高于Si衬底的纳米薄膜。

ReSe₂片在铜衬底上通过化学气相转移合成。用湿法转移法将ReSe₂片转移至Au电极制备Au-ReSe₂-Au接触：ReSe₂纳米带连同铜衬底涂覆聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）浮于刻蚀液上刻蚀铜衬底。剥离铜衬底后，PMMA包覆的ReSe₂片经固定点转移平台精确移至带Au纳米电极的Si衬底上方。激光切割PMMA，PMMA包覆的ReSe₂片落下悬浮于Au纳米薄膜和Au纳米电极之间。最后在氢氧化钾溶液浴中浸泡3 h去除PMMA。图1a展示垂直视角下制备的Au电极-ReSe₂片-Au纳米带（Au-ReSe₂-Au）结的SEM图像。ReSe₂片在B段与Au纳米带接触，在C段与Au电极接触。图1b为测量装置示意图。

定义A-B-C方向为正向（或反之），施加直流电。用高精度数字万用表（Keithley 2002，8.5位）测量Au-ReSe₂-Au结两端电压V，通过测量串联基准电阻两端电压确定电流I。在物理性能测量系统（Quantum Design）中于不同温度测量ReSe₂/Au结的正向和反向电压下的I-V曲线。

结果与讨论

图2显示273 K、280 K、310 K、340 K下的测量I-V曲线。所有测量温度下均观察到显著I-V曲线不对称，指示异常整流行为。用277 mV和-277 mV处的电流计算各温度下的电流整流比，约为10。给定电压下电流随温度升高而增加。

为探究异常整流机制，用原子力显微镜（AFM，Cypher，Oxford Instruments）和拉曼光谱仪（Jovin Yvon T64000，激发波长532 nm）检测ReSe₂片微观结构。AFM图像（图3a-c）显示ReSe₂片平均厚度28 nm（基于白线横截面高度轮廓）。拉曼光谱（图3d）包含高达13条高信号强度的预期线，与Wolverson等人检测的光谱吻合，揭示本ReSe₂片的三斜晶体结构。

图4为ReSe₂片和Au纳米薄膜45°斜视SEM图像，显示两者均与Si衬底接触。先前研究表明ReSe₂-Au接触为欧姆接触，不负责本实验整流行为。电路由Au-ReSe₂-Au和Au-ReSe₂-Si-Au结构成。图5展示电路示意图。Si-Au接触已证实为肖特基接触。

图6为能量色散光谱（EDS）数据。ReSe₂映射和谱在区域1和2获取。平均化学式为ReSe₁.₆₇，Re比例高于ReSe₂，赋予ReSe₂片p型半导体性质。因此ReSe₂-Si接触为p-n异质结，表现出整流行为。两个整流接触的不对称性导致观测到的整流行为。

肖特基接触和p-n异质结中电流均可由公式(1)和(2)确定。基于公式(1)进行计算以验证整流行为分析。ReSe₂-Si接触电流I₁和Si-Au接触电流I₂分别用公式(3)和(4)表示。图7显示数值结果与实验数据吻合良好。数值参数见表1。ReSe₂-Si接触反向饱和电流大于Si-Au接触，因ReSe₂-Si接触面积大得多（图4）。两接触反向饱和电流随温度升高增加，表明两接触电导率均表现出整流行为（公式2）。

ReSe₂-Si接触理想因子大于Si-Au接触，因接触条件和晶体结构不同。图4显示Si衬底表面因刻蚀液粗糙，导致ReSe₂-Si接触不均匀。不均匀接触导致理想因子大。粗糙表面也产生大量陷阱态，导致理想因子大。此外，不同接触类型导致不同理想因子。ReSe₂-Si为p-n异质结，ReSe₂和Si晶体结构分别为三斜和面心立方，晶格失配总是导致边缘位错，产生高密度陷阱态，使ReSe₂-Si接触偏离理想接触，理想因子大。Si-Au为金属-半导体接触，Si晶体结构对理想因子影响小。两接触理想因子随温度变化不大。可用公式(5)解释（Khurelbaatar等报道），n = (q/kT) dV/d ln I。公式(5)显示理想因子与温度成反比。理想因子仅在低温显著随温度下降，温度超300 K时变化缓慢。然而表1显示反向饱和电流随温度显著增加，这与理想因子不同。可用公式(2)解释：反向饱和电流随温度增加因T²和exp(-qΦ_B/kT)均随温度升高。因exp(-qΦ_B/kT)与-qΦ_B/kT呈指数关系，随温度显著增加。据Zhu等研究，实验中Au/Si接触在273 K和295 K下的qΦ_B分别为0.77 eV和0.79 eV，计算显示295 K反向饱和电流是273 K的6倍，解释了反向饱和电流随温度显著增加的原因。

结论

总之，在不同样温下，悬浮于Au衬底和Au纳米薄膜间的ReSe₂片接触中观察到整流行为。45°斜视SEM图像显示ReSe₂片和Au纳米薄膜均与Si衬底接触，EDS映射显示元素组成为ReSe₁.₆₇。ReSe₂片与Si衬底接触导致整流行为。ReSe₂-Si和Si-Au接触均为整流接触形成另一电路，两接触不对称性导致明显整流行为。考虑Si-Au肖特基接触和ReSe₂-Si p-n异质结的肖特基电流方程计算结果与实验结果吻合良好。

缩略语

2D:

二维

AFM:

原子力显微镜

EDS:

能量色散光谱

FET:

场效应晶体管

PMMA:

聚甲基丙烯酸甲酯

SEM:

扫描电子显微镜

TMD:

过渡金属二硫族化合物