结构中的电流整流：ReSe2 两侧的 ReSe2/Au 接触

介绍

金属-半导体触点的整流行为，其中电流随施加电压的方向而变化，广泛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。肖特基通过这种界面的半导体侧的耗尽层解释了这种行为 [1]。金属和半导体之间电子功函数的差异导致称为肖特基效应的整流行为 [2]。当金属具有比 n 型 2D 半导体材料更高的电子功函数或比 p 型 2D 半导体更低的电子功函数时，金属和二维 (2D) 半导体材料之间的接触是肖特基接触。金属/2D 材料的肖特基效应在微型光电探测器、微型 FET、气体传感器和光电晶体管中具有重要应用 [3]。在二维材料中，过渡金属二硫属化物（TMD）由于具有相当大的带隙[3]，并且随着厚度减小到单层，带隙从间接过渡到直接[4]而备受关注。带隙确保 TMD 可用于许多应用，即 FET 和太阳能电池 [3]。 TMD 还可用于热电场 [5]，这引起了广泛关注 [6,7,8,9]。已经进行了许多实验来探索 TMD 的性质和应用，例如 MoS2、MoSe2、WSe2 和 WS2。洛佩斯-桑切斯等人。 [10] 用二硫化钼制作了超灵敏单层光电晶体管。布里特内尔等人。 [11] 制作了 WS2/石墨烯异质结构并展示了其在光伏器件中的应用。 WSe2 作为双极半导体，通过双静电门控制制造发光二极管 [12, 13]。在 TMD 中，ReSe2 与其他 VI 族 TMD 不同，因为 ReSe2 属于 VII 族 TMD，在 d 中有一个额外的电子 轨道，这会导致强烈的面内各向异性 [14]。由于其特殊的能带结构，一些研究探索了 ReSe2 的电特性。使用 ReSe2/WS2 p-n 异质结 [15] 和 ReSe2/MoS2 p-n 异质结 [16] 探索电流整流。 FET 用于研究 ReSe2/metal 或 ReS2/metal [17,18,19] 等金属/半导体接触的电性能。

在这封信中，ReSe2 薄片悬浮在 Au 汇和 Au 纳米带电极之间。该设备最初设计用于测量 ReSe2 薄片的热导率和电导率。在 340 K、310 K、280 K 和 273 K 下进行测量。

方法

首先，制作带有Au电极的Si衬底。 400 μm 厚的未掺杂 Si 衬底在初始清洗后氧化形成 180 nm 厚的 SiO2 层，并通过旋涂在 SiO2 表面沉积 320 nm 厚的电子束抗蚀剂。通过物理气相沉积法沉积Au以制备Au纳米电极和Au纳米膜，其图案由电子束光刻法制备。将样品放入光刻胶显影剂中，蚀刻电子束抗蚀剂，留下金电极和薄膜。最后用缓冲氢氟酸刻蚀SiO2层，CF4等离子体刻蚀Au纳米膜下的Si层，在Si衬底上方约6 μm处制备悬浮纳米膜。

ReSe2 薄片是在铜基材上通过化学气相转变合成的。使用湿转移法将 ReSe2 薄片转移到 Au 电极上以制造 Au-ReSe2-Au 触点，其中带有铜基板的 ReSe2 纳米带涂有聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA) 并漂浮在蚀刻溶液上以蚀刻铜基板.剥离铜基板后，通过定点转移平台将 PPMA 涂层的 ReSe2 薄片准确地移动到带有 Au 纳米电极的 Si 基板上方。然后，用激光切割 PMMA，PMMA 包覆的 ReSe2 薄片落在 Au 纳米膜和 Au 纳米电极之间。最后，通过将样品浸入氢氧化钾溶液浴中 3 小时来去除 PMMA。制造的 Au 电极-ReSe2 薄片-Au 纳米带 (Au-ReSe2-Au) 结的扫描电子显微镜 (SEM) 图像在垂直于基板的方向上显示在图 1a 中。 ReSe2 薄片在 B 部分与 Au 纳米带接触，在 C 部分与 Au 电极接触。图 1b 显示了器件的示意图。

一 器件在垂直于基板和正电流方向的 SEM 图像和 b 测量装置示意图

沿 A-B-C 的方向定义为正向，反之亦然，并施加直流电。电压，V ，通过高精度数字万用表（Keitheley 2002，8.5 位）测量 Au-ReSe2-Au 结，而电流 I , 是通过测量串联参考电阻两端的电压来确定的。 我 -V 在物理性质测量系统（量子设计）中，在不同温度下测量了 ReSe2/Au 结的正向和反向电压曲线。

结果与讨论

图 2 显示了测量的 I -V 在 273 K、280 K、310 K 和 340 K 处的曲线。I 中的显着不对称 -V 在所有测量温度下观察到曲线，表明不寻常的整流行为。用277 mV和− 277 mV的电流计算各温度下的电流整流比，整流比约为10。给定电压下电流随温度升高。

Au-ReSe2-Au结在273 K、280 K、310 K和340 K处的电流-电压特性

为了探索导致异常整流的机制，通过原子力显微镜 [（AFM），Cypher，牛津仪器] 和拉曼光谱仪（Jovin Yvon T64000，激发波长 532 nm）检测 ReSe2 薄片的微观结构。 ReSe2 薄片的 AFM 图像如图 3a-c 所示，根据沿白线的横截面高度分布确定的平均厚度为 28 nm。由多达 13 条具有高信号强度的预期谱线组成的拉曼光谱如图 3d 所示，与 Wolverson 等人检测到的光谱很好地对应。 [4] 并揭示了目前 ReSe2 薄片的三斜晶体结构。

一 , b , 和 c ReSe2 的 AFM 图像和厚度，以及 d ReSe2的拉曼光谱和晶体结构

图 4 是 45° 斜视图中 ReSe2 薄片的 SEM 图像，显示 ReSe2 薄片和 Au 纳米膜与 Si 衬底接触。 ReSe2-Au 接触在之前的研究中已经显示为欧姆接触 [20]，它不负责本实验中的整流行为。该电路由 Au-ReSe2-Au 和 Au-ReSe2-Si-Au 结构成。图 5 显示了电路原理图。 Si-Au 接触已显示为肖特基接触 [21]。

45°斜视下ReSe2薄片和Au纳米膜的SEM图像

电路原理图

图 6 显示了能量色散光谱 (EDS) 数据。 ReSe2 的总谱图在第 1 节和第 2 节中获得。平均化学式为 ReSe1.67，它具有比 ReSe2 更高的 Re 比率，并给出了 ReSe2 片状 p 型半导体特性。因此，ReSe2-Si 触点是 p-n 异质结并表现出整流行为。两个整流触点的不对称导致了整流行为。

ReSe2 的 EDS 数据位于图像的右上角。方框 1 和方框 2 代表两个测量截面

肖特基接触和 p-n 异质结中的电流可由以下方程确定 [22, 23]：

其中我 0 是饱和电流，q 是电子电荷，k 是玻尔兹曼常数，V 是施加在结上的电压，A 是接触面积，A ^* 是有效的理查森常数，Ф B 是表观势垒高度，T 是测量温度。温度相关的理想因子 n 代表接触偏离理想肖特基接触的水平。

基于等式的计算。 (1)对整改行为进行检查分析。 ReSe2-Si 接触的电流，I 1，和 Si-Au 接触，I 2、表示为：

图 7 显示数值结果与实验数据非常吻合。数值参数如表 1 所示。ReSe2-Si 触点的反向饱和电流大于 Si-Au 触点，因为 ReSe2-Si 触点的接触面积要大得多，如图 4 所示。反向饱和两个触点的电流随着温度的增加而增加，表明两个触点的电导率都表现出整流行为，如等式所示。 (2).

I的比较 -V 实验结果与计算曲线

由于不同的接触条件和晶体结构，ReSe2-Si 接触的理想因子大于 Si-Au 接触。图 4 显示 Si 衬底的表面由于蚀刻溶液而变得粗糙，这使得 ReSe2-Si 接触不均匀。不均匀的接触导致大的理想因子 [24, 25]。粗糙的表面也会产生大量的俘获态，从而导致很大的理想因子 [26]。此外，不同的接触类型会产生不同的理想因素。 ReSe2-Si 接触是 p-n 异质结，ReSe2 和 Si 具有不同的晶体结构，ReSe2 为三斜晶，Si 为面心立方。晶格失配总是导致边缘位错 [27] 并产生高密度的陷阱态 [26]，使 ReSe2-Si 接触偏离理想接触并具有较大的理想因子 [27]。 Si-Au是金属半导体触点，Si的晶体结构对理想因子的影响很小。两种接触的理想因子随温度变化很小。可以用方程来解释。 (5) 正如 Khurelbaatar 等人报道的那样。 [28],

等式（5）表明理想因子与温度成反比。理想因子仅在低温下随温度显着下降，当温度超过 300 K 时，理想因子变化缓慢 [28, 29]。然而，如表 1 所示，反向饱和电流随着温度的升高而显着增加，这与理想因子不同。可以用方程来解释。 (2).根据方程。 (2)、反向饱和电流随温度升高而增加，因为T ² 和 exp (− q ΦB /kT ) 随温度升高。由于 exp (− q ΦB /kT ) 和 − qΦB/kT, exp (− q ΦB /kT ) 随温度显着增加。基于 Zhu 等 [30] 的研究，q ΦB 实验中 Au/Si 接触在 273 K 和 295 K 下的分别为 0.77 eV 和 0.79 eV。计算结果表明，295 K时的反向饱和电流是273 K时的反向饱和电流的6倍，这解释了为什么反向饱和电流随温度显着增加。

结论

总之，在不同温度下 ReSe2 薄片悬浮在 Au 衬底和 Au 纳米膜上的触点中观察到了整流行为。悬浮的 ReSe2 薄片在 45° 斜视图中的 SEM 图像显示 ReSe2 薄片和 Au 纳米膜与 Si 衬底接触，EDS 图显示了元素组成 ReSe1.67。 ReSe2 薄片和 Si 衬底之间的接触负责整流行为。 ReSe2-Si 和 Si-Au 触点都是形成另一个电路的整流触点，两个触点的不对称性导致明显的整流行为。基于肖特基电流方程的计算结果考虑了Si-Au肖特基接触，ReSe2-Si p-n异质结与实验结果吻合较好。

缩写

二维：

二维

原子力显微镜：

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：

过渡金属二硫属化物