Ⅲ族氮化物衬底上二维WS2调控生长及其特性研究

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二维二硫化钨由于具有较高的激子结合能、可调的光学带隙、高的载流子迁移率和较强的自旋轨道耦合等优点,在光电子器件和逻辑电子器件领域有重要的应用前景,尤其在谷电子学领域有望发挥重要作用。为提升器件性能,构筑新型功能器件,一方面需要制备高质量二维WS2,另一方面需要对材料性质进行调控。本文以与WS2晶格较为匹配的Ⅲ族氮化物作为衬底,利用第一性原理计算方法研究了其对WS2能谷性质的调控作用,并在实验上进行了 WS2的生长调控,分析了不同衬底对WS2光学特性的影响,具体内容与成果如下:(1)采用第一性原理模拟计算了WS2/GaN异质结的电子结构,详细分析了 GaN衬底对WS2能谷性质的调控作用与机理。结果表明,Ga极性面的Ga-GaN表面为非磁性态,而N极性面的N-GaN表面呈现铁磁性态。当WS2与N-GaN构成异质结时,WS2展现出较强的谷分裂,且其谷分裂能与异质结的堆叠结构有关。对于最稳定的结构,分裂能高达251.2 meV。进一步机理研究表明,WS2的谷分裂主要是由于N-GaN衬底表面N原子的pz轨道和能谷处WS2轨道之间的杂化引起。通过k·p模型计算,这种轨道杂化作用等效于一个高达1569T的磁场。另外,我们发现,通过改变层间距或通过应变调控可以有效地增强谷分裂能。在不破坏能谷性质的前提下,当层间距减小为2.3 ?时,谷分裂能最大值可达426.3 meV;当施加-3%的压应变时,谷分裂能最大值可达353.2 meV。(2)采用化学气相沉积法在Ⅲ族氮化物衬底上调控生长了单层WS2,并研究了不同衬底对WS2光学性质的影响。研究结果显示,生长温度对生长结果的影响很大。生长温度为850℃,可以在GaN生长出质量较好的三角形WS2;当温度大于900℃时,GaN基底表面开始发生分解,不利于材料生长。通过载气H2流量调节,可以调控材料的成核密度。当H2流量为9 sccm时,可在基底上生长出满覆盖的单层WS2。由于GaN与WS2晶格失配度小,GaN基底上生长的三角形WS2呈现良好的60°旋转对称性。通过GaN纳米柱上WS2生长与第一性原理模拟计算,推测W和S原子分别落在衬底表面N和Ga原子正上方时结构最稳定。另外,使用GaN衬底优化后的生长参数可以用于AlN衬底生长WS2,并且有着相似的生长结果。通过拉曼表征发现,GaN衬底会对WS2产生一定的张应力作用,使E2g1特征峰发生红移,而AlN衬底表面的波纹状起伏释放了其上生长WS2的应力,AlN上的WS2拉曼峰几乎没有移动,同时还具有更小的半高宽,说明其晶体质量更好。通过光致发光表征发现,相对于WS2/SiO2样品,WS2/GaN样品的中性和带电激子峰都因为张应力而出现红移,并且由于WS2与GaN基底形成Ⅱ型异质结能带结构,出现发光淬灭,发光强度大幅下降,而WS2与AlN形成Ⅰ型异质结能带结构,发光强度更高。
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