半导体所超晶格室在二维WS2的光电性质研究中获重要发现

　　最近，中科院半导体所超晶格国家重点实验室的博士生霍能杰、博士后杨圣雪等，在李京波研究员、魏钟鸣研究员、李树深院士和夏建白院士的研究团队中，在二维纳米材料WS2的光电基础研究中取得重要进展，首次发现二维WS2场效应管具有超高的光敏和气敏特性，有望应用于光开关、光电探测和气体探测等领域。相关成果发表在2014年6月9日的Nature子刊系列《ScientificReports》( ScientificReports,4,5209 ，2014)上，论文链接：http://www.nature.com/srep/2014/140609/srep05209/full/srep05209.html

　　近年来，石墨烯由于具有优良的电学光学等性能引起了极大的研究兴趣，但是零带隙的特性限制了它在纳米光电子领域的应用。作为石墨烯的补充，具有一定带隙的过渡金属硫族化物的二维材料(如 WSe2 ，MoS2 等)拥有奇特的物理性质而成为纳米科学的研究热点。此类二维材料由厚度仅为数个原子的二维单层堆积而成，拥有适当的带隙和较大的比表面积，可以作为非常有前景的通道材料应用于场效应晶体管，对可见光的快速响应可应用于光开关和光探测器领域，对气体的超敏感性也可应用于气体探测中。制备低维二维材料的常用方法简单而方便如微机械剥离法和化学气相沉积( CVD)法，不仅适用于实验室基础研究也可实现大规模生产以进行复杂电子器件的设计。近几年，以WSe2和MoS2为代表的低维二维材料从理论和实验上在纳米光电子领域获得了广泛研究并取得重要进展，探索新的二维材料以及其在光电子和气体敏感方面的物理性能已成为当今世界纳米研究的潮流。

　　在这种背景下，半导体所李京波小组设计出了基于二维薄层WS2的场效应管和光电探测器，对场效应、光敏、气敏性能及它们之间相互影响做了全面系统的研究。作为典型的过渡金属硫族化物二维半导体，WS2具有优良的力光电磁等性质。我们发现WS2表现出n-type半导体行为且具有较大的电子迁移率(12cm2/Vs)，对强度较弱的633nm激光展现出快速高效稳定的响应，在空气中响应时间小于20ms且光敏度达到了5.7A/W。我们还发现，当WS2与不同气体接触时，在其表面和物理吸附的气体分子之间会发生电荷转移，氧化性气体(O2 等)消耗电子，还原性气体(ethanol，NH3等)提供电子，从而导致其电导率的改变，实现了气体种类或浓度变化以电学信号的形式输出。进一步研究表明，气体分子对WS2的光电性能会产生巨大的影响。在NH3氛围中，WS2光探测器的光敏度和外量子效率最大分别可达884A/Wand1.7×105%。研究结果表明，二维薄层WS2在高效的光电探测器，光开关，气体探测，场效应晶体管及集成电子电路中具有巨大的应用前景。

　　该工作得到了国家基础研究项目和国家自然科学基金的支持。