[实用新型]一种铁电畴定义的MoTe2

说明书

本专利公开了一种铁电畴定义的MoTe₂面内PN结。PN结结构自下而上依次是绝缘衬底、金属底电极、铁电功能层、过渡金属硫族化合物双极性半导体MoTe₂和石墨烯电极。器件的制备步骤是先运用紫外光刻或者电子束光刻的方法结合热蒸发、剥离工艺在绝缘衬底上制备左右两个金属底电极，然后用旋涂法在底电极上制备铁电薄膜，随后通过机械剥离法将双极性半导体MoTe₂转移至铁电薄膜上，然后通过机械剥离工艺获得石墨烯并转移至MoTe₂上作为电极，最后分别给左右两个底电极施加正向和负向电压脉冲调节铁电薄膜的极化方向相反，从而将双极性半导体两边调节成电子和空穴导电，形成面内PN结。该类PN结具有典型的整流特征，无需一直施加外加栅压，稳定性好等特点。

技术领域

本专利涉及一种二维半导体光伏器件，具体指一种铁电畴定义的MoTe₂面内PN结。

背景技术

过去十几年中，二维材料由于其独特性能在各个领域受到广泛关注和研究。以石墨烯、黑磷以及二硫化钼为代表的二维材料在生物、医学、化学以及物理等不同领域都有重大突破。

由于二维材料种类丰富，能带结构多样，且表面不存在悬挂键，因此可不受限于晶格匹配的限制而形成各种不同的异质结。PN结作为一种重要的异质结是现代电子和光电器件的基础元件，并广泛应用于二极管，双极型晶体管，发光二极管，太阳能电池，光电探测器等等。传统PN结结区通常通过化学掺杂的方式形成，而很多二维材料本身具有双极性，例如WSe₂,MoTe₂,黑磷等，因此可以通过静电掺杂在同一块二维材料内形成PN结，即通过栅电极施加不同电压使一块二维材料内的载流子是电子或者空穴，从而形成面内PN结。两个距离很近的栅电极分别施加不同电压，加负电压一侧使WSe₂的费米能级向价带顶移动，从而实现空穴注入，另一侧加正电压使费米能级向导带底移动，实现电子注入，这样就在同一块二维材料中实现了PN结。二极管有良好的整流特性，理想因子和整流因数分别是1.9和105，对可见光有明显的光响应，响应率达到210mA/W[Nature nanotechnology,2014,9(4):262]。另外，这个器件具有光伏特性和电致发光特性，可用于光伏太阳能电池和发光二极管，其光电转化效率和发光效率分别达到0.5％和0.1％[Nature nanotechnology,2014,9(4):257]。

虽然上述目前已有上述工艺的PN结，但是该类PN结工作时需要一直外加栅压来对材料进行静电掺杂，这就增大了能耗，为了规避这些不足，我们提出用铁电材料剩余极化调控同一块二维材料内的载流子类型从而形成PN结的方法。铁电材料是具有极化特性的一类电介质材料，施加外加电压使铁电材料极化，撤去外加电压后，其内部电偶极子整齐排列，可以产生巨大的内建电场。因此将铁电材料与二维材料相结合，利用铁电材料的剩余极化产生的强局域电场来调控二维材料的内部特性。利用金属底电极将对应区域的铁电功能层极化成两个相反的方向，由此来调节双极性二维材料使其分别是电子和空穴导电，形成面内PN结。

本专利利用铁电材料极化所产生的强局域场来调控二维材料的内部载流子形成PN结，呈现明显的整流特性，器件的开关比达到5×10⁵，响应率为5安培每瓦，且无需一直施加外加栅压，加速了二维材料在电子器件领域走向应用的步伐。

发明内容

本专利提出了一种铁电畴定义的MoTe₂面内PN结，拓宽了二维材料在电子器件方面的应用。

上述专利将铁电材料引入过渡金属硫族化合物双极性二维半导体，利用铁电极化形成的局域电场，调节二维材料的载流子浓度，使双极性二维材料的一边电子导电，一边空穴导电，形成面内PN结。