[论文解读] Electrical Transport Properties of Single-Layer WS2

Dmitry Ovchinnikov, Adrien Allain+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 21, 2014

2D Materials and Applications参考文献 38被引用 34

一句话总结

本研究探讨了机械剥离单层二硫化钨（WS2）场效应晶体管的电输运特性，展示了室温下高达约10⁶的开/关电流比以及经原位退火后迁移率最高达140 cm²/V·s。研究揭示了n型行为、高载流子密度下的金属输运行为，以及绝缘态下的可变范围跳跃输运，局域化长度约为2 nm，表明由于强自旋-轨道耦合，WS2在纳米电子学和谷电子学应用方面具有巨大潜力。

ABSTRACT

We report on the fabrication of field-effect transistors based on single and bilayers of the semiconductor WS2 and the investigation of their electronic transport properties. We find that the doping level strongly depends on the device environment and that long in-situ annealing drastically improves the contact transparency allowing four-terminal measurements to be performed and the pristine properties of the material to be recovered. Our devices show n-type behavior with high room-temperature on/off current ratio of ~106. They show clear metallic behavior at high charge carrier densities and mobilities as high as ~140 cm2/Vs at low temperatures (above 300 cm2/Vs in the case of bi-layers). In the insulating regime, the devices exhibit variable-range hopping, with a localization length of about 2 nm that starts to increase as the Fermi level enters the conduction band. The promising electronic properties of WS2, comparable to those of single-layer MoS2 and WSe2, together with its strong spin-orbit coupling, make it interesting for future applications in electronic, optical and valleytronic devices.

研究动机与目标

• 制备并表征基于单层和双层WS2的场效应晶体管，以实现电子器件应用。
• 研究器件环境和工艺条件对掺杂和接触透明度的影响。
• 测量本征WS2中的电子输运特性，包括迁移率和载流子类型。
• 分析绝缘态下的输运机制，如金属行为和可变范围跳跃。
• 评估WS2在自旋电子学、光电子学和谷电子学器件中的未来应用潜力。

提出的方法

• 通过机械剥离法制备单层和双层WS2纳米片，并将其转移至SiO₂/Si基底上，制备背栅场效应晶体管。
• 采用原位热退火处理以减少表面吸附物，提升接触透明度，从而实现四端子测量。
• 在暗态下于室温及低温（最低至4.2 K）使用四探针配置测量电输运特性。
• 通过场效应特性分析确定载流子类型、开/关比和场效应迁移率。
• 从绝缘态下温度依赖的电阻率测量中提取可变范围跳跃行为。
• 基于可变范围跳跃区域电阻率的温度依赖性估算局域化长度。

实验结果

研究问题

• RQ1 器件环境如何影响单层WS2场效应晶体管中的掺杂水平和接触质量？
• RQ2 单层WS2的本征场效应迁移率是多少？其与温度和载流子密度的关系如何？
• RQ3 在单层WS2的绝缘态下，主导的输运机制是什么？局域化长度是多少？
• RQ4 原位退火如何影响接触透明度及四端子测量的可行性？
• RQ5 WS2的电子特性与MoS2和WSe2等其他过渡金属二硫属化物相比如何？

主要发现

• 单层WS2场效应晶体管表现出n型行为，室温下开/关电流比约为10⁶。
• 经原位退火后，接触透明度显著提高，实现了可靠的四端子测量，并恢复了本征电子特性。
• 在低温下，单层WS2的迁移率最高可达140 cm²/V·s，双层器件的迁移率更高（>300 cm²/V·s）。
• 在高载流子密度下，器件表现出明显的金属行为，表明具有高载流子迁移率和低散射。
• 在绝缘态下观察到可变范围跳跃输运，局域化长度约为2 nm，且当费米能级进入导带时该长度增加。
• WS2中强自旋-轨道耦合与优异的电子特性相结合，使其成为谷电子学和光电子学器件的有力候选材料。