少层MoS2表面铟电极制备及光电性质研究

石保军，王申

（山西大学 物理电子工程学院，山西 太原 030006）

0 引言

近年来，低维结构的过渡金属双硫化物（TMDs）由于独特的光、电性质[1-6]引起了人们的广泛关注。其中由于少层MoS2具有室温稳定性和易于机械剥离等优点，人们针对少层MoS2开展了许多研究工作[7-11]。2015 年，Bastian Miller等人[12]通过改变激发光功率的方法实现对单层和多层MoS2的电荷载流子浓度接近两个数量级的调控。2019年，Molas等[13]使用超强酸处理单层 MoS2来改变它的载流子浓度，达到改变样品光学性质的目的。同年，Lien等[14]通过调控门电压实现了对单层（1L）MoS2载流子浓度的调控，提高了它的光致发光效率。当前通过电子束刻蚀后蒸镀金电极是制备门电极的主要方式，电子束刻蚀精确可控，能够实现微米尺度上的器件制备，金电极由于其稳定的化学性质和较低的化学势也能够与TMDs材料形成较好电接触。但这种方法制备工艺复杂，耗时较长，成品率一般，并对样品具有一定的损伤。为了避免光刻蒸镀法的不足，Tang等[15]在大面积排列的二氯化五苯晶体微带上利用探针机械转移的方法制备电极，成功提高了载流子的迁移率。2017年，Zhang等[16]成功地使用机械转移法制备了横向和竖直两种基于二维材料的异质结。2018年，Wang等[17]通过探针机械转移金电极的方法制备了单层MoS2场效应晶体管器件，并通过低温氧化处理提升了该器件的性能。这些工作证明了通过机械转移的方法能够实现在微米尺度的二维材料上成功制备电极，但是利用探针机械转移金电极依然对实验设备有较高的要求。在本工作中，我们尝试利用机械位移台直接将微米尺度的铟丝机械转移到少层MoS2表面制备电极，实现对少层MoS2内载流子浓度的调控，极大地降低了微米尺度少层MoS2表面电极制备工艺的要求。

1 实验方案

我们通过机械剥离的方法制备了少层MoS2样品，并使用原子力显微镜（AFM）和拉曼光谱对其进行了表征。图1（a）所示为1L MoS2的原子力显微镜图像，图1（b）为沿图1（a）中红线扫描的高度变化。从图中可以看出1L MoS2样品的厚度为0.7 nm，这与Changgu Lee等人[18]的测量结果一致。

图1 （a）1L MoS2样品的AFM形貌；（b）对应图1（a）中红线处扫描的高度变化Fig.1 （a）AFM measurement of single layer MoS2sample，（b）AFM height scan corresponding to the red line in（a）

图2（a）为单层（1L）、双层（2L）、三层（3L）、四层（4L）以及块体MoS2样品的拉曼光谱测量结果，图中的两个拉曼峰分别对应于MoS2的两种振动模式：面内声子的振动E2g1和面外声子的振动A1g，图2（b）为样品拉曼峰随层数的变化。从图中可以明显看出，随着MoS2样品层数的增加，样品的拉曼峰A1g向频率增加的方向发生偏移，最大位移为5 cm-1，而的拉曼峰向频率减小的方向发生偏移，最大位移为2 cm-1。这一结果与前人的工作一致[12]，证明我们通过机械剥离的方法成功地制备了少层MoS2样品。

图2 （a）1L-bulk MoS2的拉曼光谱图；（b）1L-bulk MoS2的拉曼光谱峰位变化Fig.2 （a）Raman spectra of 1L-bulk MoS2；（b）Raman shifts of 1L-bulk MoS2

基于以上AFM和拉曼光谱的测量结果，我们对1L、2L、3L MoS2样品进行了光学显微镜的表征，结果如图3所示。可以发现对于不同厚度的样品，颜色存在一定的差异，因此我们也可以通过样品颜色来简单地判定样品的厚度。同时，我们所制备的大部分样品的横向尺寸为15 μm～ 30 μm，这为铟电极的配置提供了可能。

图3 （a）1L MoS2（b）2L MoS2（c）3L MoS2样品的光学显微镜图像Fig.3 Optical microscope image of（a）1L MoS2（b）2L MoS2（c）3L MoS2samples

机械转移制备铟电极的过程如图4所示：（1）将一段直径1毫米，长度1厘米左右的铟丝一端装配在转移台上，另一端放置在Si衬底上，衬底选用表面氧化的高掺杂的n型硅（＜100＞晶向，0.001 Ω·cm～0.005 Ω·cm，300 nm SiO2）；（2）将衬底加热至 156℃，维持衬底温度1 min以保证铟丝完全融化；（3）通过转移台将铟丝横向拉伸，得到尺度达到微米级的铟丝尖端；（4）在光学显微镜下，将铟丝尖端转移至MoS2样品表面；（5）将衬底再次加热至156℃使铟丝尖端融化，从而保证与MoS2样品表面形成良好的接触。

图4 铟电极配置流程示意图Fig.4 Schematic diagram of indium electrode configuration process

我们在MoS2样品表面制备了A、B两个铟电极分别作为源极和漏极，C端作为门电极。通过电流-电压（I-V）曲线测量以及转移特性曲线测量表征了铟电极与1L MoS2样品的接触性质，并在门电压调控下对1L、2L、3L MoS2样品进行了拉曼光谱表征，通过与光门控MoS2结果对比，证明了铟电极能够有效调控少层MoS2样品中的载流子浓度。

2 结果与讨论

2.1 接触特性

我们将图4所示电路连接中的B、C端电压设置为0 V，通过改变A、B两端电压，对1L MoS2样品进行了I-V曲线测量，测量结果如图5所示。源、漏两端电压变化范围为-15～15 V，从图中可以得到1L MoS2样品的I-V曲线基本呈线性变化，斜率为6.55×10-6A/V，电阻约为1.5×105Ω。由此可以判断在铟电极与1L MoS2样品的接触点之间形成了富电子区，二者的接触为欧姆接触。

图5 1L MoS2样品的输出特性曲线Fig.5 Output characteristic curve of 1L MoS2

之后我们将A、B端电压设置为1 V，通过改变B、C两端门电压测量了1L MoS2样品的转移特性曲线，电压变化范围为-15 V～35 V，如图6所示。由图可知，样品的开启电压为-8 V，并且样品有较低的载流子迁移率，约为 μ≈28.3 cm2·V-1·s-1，计算表达式为：

图6 1L MoS2样品的转移特性曲线Fig.6 Transfer characteristic curve of 1L MoS2

其中样品的长度L≈20 μm，样品的宽度W≈10 μm，C=1.2×10-4F·m-2为底栅与样品之间单位面积的电容，C=ε0εr/d，εr=3.9，d=300 nm。进一步证明了 1L MoS2样品与铟电极之间为欧姆接触。

2.2 铟电极-门电极调控下的1L、2L和3L MoS2样品拉曼光谱

确定样品与铟电极的接触性质后，我们将图4所示电路连接中的A、B端电压设置为0V，通过改变B、C两端的电压对样品进行调控，如图7所示。图7（a）、（b）、（c）分别为1L、2L和3L MoS2样品在0 V ～ 40 V的门电压下的拉曼光谱，激发功率为100 μW。从图中可以明显看出，随着电压的增加，1L、2L、3L MoS2样品的拉曼峰A1g向频率减小的方向分别移动了1 cm-1、1cm-1和 0.5 cm-1，而 E2g1的峰位基本保持不变。相比于1L MoS2，门电压对2L和3L MoS2样品的调控能力减弱，这主要是由于门电压调控载流子主要发生在界面处所导致的。

图7 铟电极-门电极调控下（a）1L、（b）2L、（c）3L MoS2样品的拉曼光谱Fig.7 Raman spectra of（a）1L ，（b）2L，（c）3L MoS2samples under indium-gate electrode control

最后我们测量了光门控下，不同激发光功率下1L、2L和3L MoS2样品的拉曼光谱，分别如图8（a）、（b）、（c）所示。从图中可以明显看出，随着激发光功率的增加，1L、2L、3L MoS2样品的拉曼峰A1g向频率减小的方向分别移动了1.5 cm-1、1 cm-1和0.5 cm-1，而 E2g1的拉曼峰基本保持不变，出现这种差异的主要原因是：样品内n型载流子浓度的增大导致A1g模式电声耦合的增强从而引起振动模式频率的改变，而E2g1依赖于掺杂导致的电声耦合是微弱的，所以E2g1振动模式的频率不随电掺杂的改变而改变[19]。对比图7门控电压下1L、2L和3L MoS2样品的拉曼光谱发现，两者的拉曼偏移具有一致性。这说明我们通过这种转移铟电极的方式实现了对1L、2L和3L MoS2样品载流子浓度的调控。

图8 光门控下（a）1L（b）2L（c）3L MoS2样品的拉曼光谱Fig.8 Raman spectra of（a）1L（b）2L（c）3L MoS2samples under different excitation powers

3 结论

通过机械剥离法制备了少层MoS2样品，并使用原子力显微镜、拉曼光谱和光学显微镜对形貌和层数进行了表征。通过机械转移的方法在1L、2L、3L MoS2表面制备了铟电极。通过I-V曲线和转移特性曲线的测量证明了铟电极与MoS2样品表面为欧姆接触。最后我们研究了铟电极-门电极调控下1L、2L、3L MoS2样品的拉曼光谱变化，结果表明随着电压的增加，1L、2L、3L MoS2样品的拉曼峰A1g向频率减小的方向分别移动了1cm-1、1cm-1和0.5cm-1，而 E2g1的峰位基本保持不变，对比光门控下测量的拉曼光谱，两者变化基本保持一致，说明通过我们这种转移铟电极的方式可以有效实现对1L、2L和3L MoS2样品载流子浓度的调控。