一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代科技飛速發(fā)展的時(shí)代，半導(dǎo)體材料作為信息技術(shù)的基石，始終處于科學(xué)研究的前沿。新型二維半導(dǎo)體材料，作為半導(dǎo)體領(lǐng)域的新興力量，以其獨(dú)特的原子結(jié)構(gòu)和電子特性，在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，成為了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界共同關(guān)注的焦點(diǎn)。自2004年石墨烯被成功剝離以來，二維材料的研究便開啟了新篇章。石墨烯作為一種典型的二維材料，由單層碳原子組成，具有優(yōu)異的電學(xué)、力學(xué)和熱學(xué)性能，然而，零帶隙的特性限制了其在半導(dǎo)體器件中的廣泛應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，研究人員不斷探索，發(fā)現(xiàn)了一系列具有固有帶隙的新型二維半導(dǎo)體材料，如二硫化鉬（MoS_2）、二硒化鎢（WSe_2）、黑磷等，這些材料的出現(xiàn)為半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展注入了新的活力。新型二維半導(dǎo)體材料具有原子級的厚度，這使得它們具有許多與傳統(tǒng)三維半導(dǎo)體材料截然不同的物理性質(zhì)。由于量子限域效應(yīng)和表面效應(yīng)的增強(qiáng)，二維半導(dǎo)體材料表現(xiàn)出高載流子遷移率、強(qiáng)光電相互作用以及可調(diào)控的帶隙等特性。這些特性為實(shí)現(xiàn)高性能、低功耗的電子器件提供了可能，有望突破傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料在尺寸縮小和性能提升方面所面臨的瓶頸。在電子學(xué)領(lǐng)域，隨著摩爾定律逐漸逼近物理極限，傳統(tǒng)硅基晶體管的尺寸縮小面臨著諸多挑戰(zhàn)，如短溝道效應(yīng)、漏電流增加等問題，嚴(yán)重影響了器件的性能和可靠性。新型二維半導(dǎo)體材料因其原子級薄的厚度和獨(dú)特的電學(xué)性質(zhì)，能夠有效抑制短溝道效應(yīng)，有望成為下一代高性能晶體管的理想溝道材料。研究表明，基于二硫化鉬的場效應(yīng)晶體管展現(xiàn)出了良好的電學(xué)性能，其開關(guān)比可達(dá)到10^8以上，載流子遷移率在室溫下可達(dá)200cm^2/(V·s)，為實(shí)現(xiàn)更小尺寸、更高性能的集成電路提供了新的途徑。在光電子學(xué)領(lǐng)域，二維半導(dǎo)體材料的直接帶隙特性使其在光電器件中具有廣闊的應(yīng)用前景。以二硫化鉬為例，單層二硫化鉬具有約1.8eV的直接帶隙，能夠高效地吸收和發(fā)射光子，可用于制備高性能的光電探測器、發(fā)光二極管和激光器等。與傳統(tǒng)的硅基光電器件相比，基于二維半導(dǎo)體材料的光電器件具有更高的響應(yīng)速度、更低的功耗和更好的柔韌性，能夠滿足未來光通信、圖像傳感和顯示技術(shù)等領(lǐng)域?qū)Ω咝阅芄怆娖骷男枨?。從能源存儲與轉(zhuǎn)換的角度來看，新型二維半導(dǎo)體材料的高比表面積和良好的電化學(xué)性能使其在鋰離子電池、超級電容器和太陽能電池等能源相關(guān)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力。在鋰離子電池中，二維材料能夠提供更多的鋰離子存儲位點(diǎn)，加快離子擴(kuò)散速率，從而提高電池的充放電性能和循環(huán)穩(wěn)定性。此外，二維半導(dǎo)體材料在催化、傳感器和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用，為解決能源、環(huán)境和健康等領(lǐng)域的關(guān)鍵問題提供了新的材料選擇。對新型二維半導(dǎo)體材料的物性調(diào)控與電學(xué)輸運(yùn)研究具有至關(guān)重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。從科學(xué)意義上講，深入研究二維半導(dǎo)體材料的物性調(diào)控機(jī)制，有助于揭示低維體系中電子、聲子、自旋等多自由度之間的相互作用規(guī)律，拓展人們對凝聚態(tài)物理基本問題的認(rèn)識。例如，通過對二維材料的能帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確調(diào)控，實(shí)現(xiàn)對其電學(xué)、光學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)的按需定制，為構(gòu)建新型量子材料和量子器件奠定理論基礎(chǔ)。研究二維半導(dǎo)體材料的電學(xué)輸運(yùn)特性，能夠深入理解載流子在低維受限空間中的輸運(yùn)行為，探索新的量子輸運(yùn)現(xiàn)象，如量子霍爾效應(yīng)、量子隧穿效應(yīng)等，豐富和發(fā)展量子輸運(yùn)理論。從應(yīng)用價(jià)值方面來看，通過對新型二維半導(dǎo)體材料的物性調(diào)控，可以顯著提升其性能，滿足不同領(lǐng)域?qū)Σ牧闲阅艿膰?yán)格要求。在電子器件中，實(shí)現(xiàn)對二維半導(dǎo)體材料帶隙、載流子遷移率和雜質(zhì)濃度等參數(shù)的精確調(diào)控，能夠制備出高性能的晶體管、集成電路和邏輯器件，推動信息技術(shù)向更高性能、更低功耗的方向發(fā)展。在光電器件中，調(diào)控二維半導(dǎo)體材料的光電特性，可制備出高靈敏度、高響應(yīng)速度的光電探測器和高效率的發(fā)光二極管，為光通信、光顯示和光存儲等領(lǐng)域帶來新的技術(shù)突破。在能源領(lǐng)域，通過調(diào)控二維半導(dǎo)體材料的電化學(xué)性能，開發(fā)出高性能的能源存儲和轉(zhuǎn)換器件，對于緩解能源危機(jī)、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)能源發(fā)展具有重要意義。新型二維半導(dǎo)體材料作為半導(dǎo)體領(lǐng)域的前沿研究方向，其物性調(diào)控與電學(xué)輸運(yùn)研究不僅對于推動半導(dǎo)體科學(xué)的發(fā)展具有重要的科學(xué)意義，而且在電子學(xué)、光電子學(xué)、能源等多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，有望為現(xiàn)代科技的發(fā)展帶來革命性的變化，對未來社會的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀新型二維半導(dǎo)體材料的物性調(diào)控與電學(xué)輸運(yùn)研究在國內(nèi)外均取得了豐碩的成果，吸引了眾多科研團(tuán)隊(duì)的廣泛關(guān)注。在國外，美國、歐洲和亞洲的一些國家處于研究的前沿。美國麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)在二維材料的基礎(chǔ)物理研究方面取得了重要突破，如Pablo團(tuán)隊(duì)首次從實(shí)驗(yàn)上利用雙層轉(zhuǎn)角石墨烯在“魔角”附近的超晶格實(shí)現(xiàn)對體系電子態(tài)的有效調(diào)控，成功觀測到超導(dǎo)、關(guān)聯(lián)絕緣態(tài)等現(xiàn)象，這一成果對研究超導(dǎo)等強(qiáng)關(guān)聯(lián)現(xiàn)象具有重大推動意義。哈佛大學(xué)的研究人員在二維半導(dǎo)體材料的異質(zhì)結(jié)構(gòu)制備和性能研究方面開展了深入工作，通過精確控制異質(zhì)結(jié)構(gòu)中各層材料的原子排列和界面質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了對材料電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)的協(xié)同調(diào)控，為高性能光電器件的開發(fā)提供了新的思路。歐洲的科研團(tuán)隊(duì)在二維材料的應(yīng)用探索方面也取得了顯著進(jìn)展。歐盟的“石墨烯旗艦計(jì)劃”致力于推動二維材料在電子學(xué)、能源等領(lǐng)域的應(yīng)用，其中基于二維材料的自旋電子學(xué)研究取得了重要成果，為實(shí)現(xiàn)低功耗、高速度的信息存儲和處理提供了新的技術(shù)途徑。英國曼徹斯特大學(xué)作為石墨烯的發(fā)源地，在二維材料的制備和表征技術(shù)方面一直處于領(lǐng)先地位，開發(fā)了一系列先進(jìn)的制備方法和表征手段，能夠精確控制二維材料的層數(shù)、缺陷密度和雜質(zhì)含量，為深入研究二維材料的物性調(diào)控和電學(xué)輸運(yùn)提供了有力的技術(shù)支持。亞洲的韓國和日本在新型二維半導(dǎo)體材料的研究和產(chǎn)業(yè)化方面也表現(xiàn)出色。韓國三星公司在二維半導(dǎo)體材料的器件應(yīng)用研究方面投入了大量資源，成功制備出基于二維材料的高性能晶體管和集成電路，并在柔性顯示、可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域開展了應(yīng)用探索。日本的科研團(tuán)隊(duì)則在二維材料的理論計(jì)算和模擬方面取得了重要成果，通過第一性原理計(jì)算和分子動力學(xué)模擬，深入研究了二維半導(dǎo)體材料的電子結(jié)構(gòu)、聲子特性和電學(xué)輸運(yùn)機(jī)制，為材料的設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化提供了理論指導(dǎo)。在國內(nèi)，中國的科研團(tuán)隊(duì)在新型二維半導(dǎo)體材料領(lǐng)域迅速崛起，在多個(gè)研究方向上取得了重要成果，部分研究成果達(dá)到了國際領(lǐng)先水平。中國科學(xué)院物理研究所的高鴻鈞團(tuán)隊(duì)和復(fù)旦大學(xué)的周鵬團(tuán)隊(duì)在基于二維材料的浮柵存儲器研究領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了納秒級的寫入及讀取速度，且開關(guān)比高達(dá)10，在性能上形成了對傳統(tǒng)半導(dǎo)體技術(shù)存儲器件的絕對優(yōu)勢。南京大學(xué)的王欣然團(tuán)隊(duì)和北京大學(xué)的劉開輝團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)晶圓級二維材料單晶的生長制備，為二維材料的研究與應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的材料基礎(chǔ)，推動了二維半導(dǎo)體材料從實(shí)驗(yàn)室研究向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的轉(zhuǎn)化。華東師范大學(xué)、中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所和北京理工大學(xué)等單位聯(lián)合研究發(fā)現(xiàn)新型碳基二維半導(dǎo)體材料C?N具有大范圍可調(diào)帶隙、高載流子遷移率和高開關(guān)比等性質(zhì)。通過控制雙層C?N結(jié)構(gòu)的堆垛方式，可實(shí)現(xiàn)大范圍能帶寬度調(diào)控，在4K低溫下，不同堆垛結(jié)構(gòu)的雙層C?N展現(xiàn)出顯著差異的電子性質(zhì)，且對近紅外光具有良好的光響應(yīng)，在光電器件領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。中山大學(xué)/北京大學(xué)的侯仰龍教授團(tuán)隊(duì)與其他單位合作，提出一種基于界面耦合的p-摻雜二維半導(dǎo)體制備方法，采用界面效應(yīng)的顛覆性路線，工藝簡單、效果穩(wěn)定，能夠有效保持二維半導(dǎo)體本征的優(yōu)異性能，并利用垂直堆疊方式制備了由14層范德華材料組成、包含4個(gè)晶體管的互補(bǔ)型邏輯門NAND以及SRAM等器件，為后摩爾時(shí)代未來二維半導(dǎo)體器件的發(fā)展提供了新思路。盡管國內(nèi)外在新型二維半導(dǎo)體材料的物性調(diào)控與電學(xué)輸運(yùn)研究方面取得了顯著進(jìn)展，但仍存在一些不足之處。在材料制備方面，目前的制備方法雖然能夠獲得高質(zhì)量的二維半導(dǎo)體材料，但普遍存在制備工藝復(fù)雜、成本高、產(chǎn)量低等問題，難以滿足大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的需求。此外，制備過程中引入的雜質(zhì)和缺陷難以完全避免，這些雜質(zhì)和缺陷會對材料的電學(xué)性能和穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，如何精確控制材料的生長過程，減少雜質(zhì)和缺陷的引入，仍然是一個(gè)亟待解決的問題。在物性調(diào)控方面，雖然已經(jīng)提出了多種調(diào)控方法，如電場調(diào)控、化學(xué)摻雜、與襯底的相互作用等，但對一些復(fù)雜的調(diào)控機(jī)制仍缺乏深入的理解，調(diào)控的精度和穩(wěn)定性有待進(jìn)一步提高。不同調(diào)控方法之間的協(xié)同效應(yīng)研究還不夠充分，如何綜合運(yùn)用多種調(diào)控手段，實(shí)現(xiàn)對二維半導(dǎo)體材料物性的全面、精確調(diào)控，是未來研究的重點(diǎn)方向之一。在電學(xué)輸運(yùn)研究方面，目前對二維半導(dǎo)體材料在復(fù)雜環(huán)境和極端條件下的電學(xué)輸運(yùn)特性研究相對較少，如高溫、高壓、強(qiáng)磁場等條件下的電學(xué)輸運(yùn)行為，以及材料與器件在長期工作過程中的穩(wěn)定性和可靠性等問題。此外，隨著器件尺寸的不斷縮小，量子效應(yīng)和表面效應(yīng)等對電學(xué)輸運(yùn)的影響變得更加顯著，如何建立更加準(zhǔn)確的理論模型來描述這些復(fù)雜的輸運(yùn)現(xiàn)象，也是當(dāng)前研究面臨的挑戰(zhàn)之一。新型二維半導(dǎo)體材料的物性調(diào)控與電學(xué)輸運(yùn)研究是一個(gè)充滿活力和挑戰(zhàn)的領(lǐng)域。國內(nèi)外的研究成果為該領(lǐng)域的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，但同時(shí)也暴露出一些問題和不足。未來的研究需要進(jìn)一步加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，深入探索材料的物性調(diào)控機(jī)制和電學(xué)輸運(yùn)規(guī)律，開發(fā)更加高效、低成本的制備技術(shù)和精確的調(diào)控方法，解決當(dāng)前面臨的關(guān)鍵科學(xué)問題和技術(shù)瓶頸，推動新型二維半導(dǎo)體材料從實(shí)驗(yàn)室研究向?qū)嶋H應(yīng)用的轉(zhuǎn)化，為半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新提供新的動力。1.3研究內(nèi)容與方法本文圍繞新型二維半導(dǎo)體材料的物性調(diào)控與電學(xué)輸運(yùn)展開深入研究，旨在揭示其內(nèi)在物理機(jī)制，為材料的性能優(yōu)化和器件應(yīng)用提供理論與實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。在材料特性研究方面，對新型二維半導(dǎo)體材料的晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)以及光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行細(xì)致分析。通過高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）、掃描隧道顯微鏡（STM）等先進(jìn)表征技術(shù)，精確測定材料的原子排列和晶格參數(shù)，深入探究晶體結(jié)構(gòu)對材料性能的影響。運(yùn)用光電子能譜（XPS）、角分辨光電子能譜（ARPES）等手段，研究材料的電子結(jié)構(gòu)，包括能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度分布等，揭示電子在二維體系中的運(yùn)動規(guī)律。利用紫外-可見吸收光譜、光致發(fā)光光譜等方法，研究材料的光學(xué)性質(zhì)，如帶隙大小、光吸收和發(fā)射特性等，為其在光電器件中的應(yīng)用提供依據(jù)。在物性調(diào)控方法研究中，探索電場調(diào)控對二維半導(dǎo)體材料電學(xué)性能的影響。構(gòu)建基于二維材料的場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)，通過施加?xùn)艠O電壓，實(shí)現(xiàn)對材料載流子濃度和遷移率的調(diào)控，研究電場對能帶結(jié)構(gòu)和電子輸運(yùn)的作用機(jī)制。研究化學(xué)摻雜對材料電學(xué)性能的影響，采用分子束外延（MBE）、化學(xué)氣相沉積（CVD）等技術(shù)，將特定的雜質(zhì)原子引入二維材料中，精確控制摻雜濃度和分布，分析摻雜對材料電學(xué)性能的影響規(guī)律。探索與襯底相互作用對材料性能的調(diào)控作用，研究不同襯底材料和表面處理方式對二維材料生長質(zhì)量、應(yīng)力狀態(tài)和電學(xué)性能的影響，通過界面工程優(yōu)化材料與襯底的相互作用，實(shí)現(xiàn)對材料性能的有效調(diào)控。對于電學(xué)輸運(yùn)機(jī)制研究，深入研究新型二維半導(dǎo)體材料中載流子的散射機(jī)制。在不同溫度、電場強(qiáng)度和磁場條件下，測量材料的電學(xué)輸運(yùn)特性，如電導(dǎo)率、霍爾系數(shù)等，運(yùn)用理論模型和數(shù)值模擬方法，分析載流子與聲子、雜質(zhì)、缺陷等的相互作用，確定主要的散射機(jī)制，揭示載流子在二維材料中的輸運(yùn)過程。研究二維半導(dǎo)體材料在不同維度下的電學(xué)輸運(yùn)特性，制備具有不同維度結(jié)構(gòu)的二維材料器件，如納米帶、量子點(diǎn)等，研究載流子在低維受限空間中的輸運(yùn)行為，探索量子尺寸效應(yīng)和邊界散射對電學(xué)輸運(yùn)的影響。研究二維半導(dǎo)體材料與金屬電極的接觸特性，采用四探針法、傳輸線模型（TLM）等方法，測量材料與金屬電極之間的接觸電阻、肖特基勢壘高度等參數(shù)，研究接觸界面的微觀結(jié)構(gòu)和電子態(tài)，分析接觸特性對電學(xué)輸運(yùn)的影響，優(yōu)化接觸界面，降低接觸電阻，提高器件性能。為了實(shí)現(xiàn)上述研究內(nèi)容，本文綜合運(yùn)用多種研究方法。在理論計(jì)算方面，基于第一性原理計(jì)算方法，利用平面波贗勢方法（PWPM）和廣義梯度近似（GGA），對新型二維半導(dǎo)體材料的晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行理論計(jì)算，預(yù)測材料的基本物理性質(zhì)，為實(shí)驗(yàn)研究提供理論指導(dǎo)。采用密度泛函理論（DFT）計(jì)算材料的能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度和電荷密度分布，分析材料的電子特性和化學(xué)鍵合情況。運(yùn)用分子動力學(xué)模擬方法，研究材料在不同溫度和壓力條件下的原子動力學(xué)行為，預(yù)測材料的熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能。在實(shí)驗(yàn)測量方面，運(yùn)用多種先進(jìn)的材料制備技術(shù)，獲取高質(zhì)量的新型二維半導(dǎo)體材料。采用機(jī)械剝離法，從體材料中剝離出單層或少數(shù)層的二維材料，用于基礎(chǔ)物性研究。利用化學(xué)氣相沉積法，在襯底表面生長大面積、高質(zhì)量的二維材料薄膜，為器件制備提供材料基礎(chǔ)。采用分子束外延法，精確控制原子的沉積速率和生長條件，制備高質(zhì)量的二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)。利用多種先進(jìn)的表征技術(shù)，對二維半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行全面表征。運(yùn)用X射線衍射（XRD）技術(shù)，分析材料的晶體結(jié)構(gòu)和晶格參數(shù)。利用拉曼光譜技術(shù)，研究材料的聲子振動模式和晶格質(zhì)量。采用光致發(fā)光光譜技術(shù)，測量材料的發(fā)光特性和帶隙大小。運(yùn)用掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）技術(shù)，觀察材料的微觀結(jié)構(gòu)和形貌。利用電學(xué)測量技術(shù)，研究二維半導(dǎo)體材料的電學(xué)輸運(yùn)特性。采用范德堡法測量材料的電阻率、霍爾系數(shù)和載流子遷移率。利用四探針法測量材料的電導(dǎo)率和接觸電阻。構(gòu)建基于二維材料的場效應(yīng)晶體管器件，測量其轉(zhuǎn)移特性和輸出特性，研究材料的電學(xué)性能和器件性能。二、新型二維半導(dǎo)體材料概述2.1材料的定義與分類新型二維半導(dǎo)體材料，是指在三維空間中，厚度僅為幾個(gè)原子層的半導(dǎo)體材料，其橫向尺寸可以從納米到宏觀尺度。這種特殊的原子結(jié)構(gòu)賦予了它們許多獨(dú)特的物理性質(zhì)，使其在電子學(xué)、光電子學(xué)、能源等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。與傳統(tǒng)的三維半導(dǎo)體材料相比，二維半導(dǎo)體材料具有原子級的厚度，這使得它們的電子態(tài)受到量子限域效應(yīng)的強(qiáng)烈影響，從而導(dǎo)致電子在二維平面內(nèi)的運(yùn)動呈現(xiàn)出與三維體系截然不同的特性。由于二維材料的表面原子比例較高，表面效應(yīng)也更為顯著，這對材料的物理化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生了重要影響。在新型二維半導(dǎo)體材料的家族中，過渡金屬二硫族化合物（TMDs）是一類備受關(guān)注的材料。這類化合物的化學(xué)式通常可以表示為MX_2，其中M代表第IV族的Zr、Ti、Hf，第V族的V、Nb、Ta和第VI族的Mo、W等過渡金屬元素，X代表S、Se、Te等硫族元素。以二硫化鉬（MoS_2）為例，它具有典型的層狀結(jié)構(gòu)，每個(gè)MoS_2層由一個(gè)鉬原子層夾在上下兩個(gè)硫原子層之間，形成S-Mo-S三原子層結(jié)構(gòu)。在單層MoS_2中，鉬原子與周圍的硫原子通過強(qiáng)共價(jià)鍵結(jié)合，形成穩(wěn)定的二維平面結(jié)構(gòu)，而層與層之間則通過較弱的范德華力相互作用。這種特殊的結(jié)構(gòu)使得MoS_2具有許多優(yōu)異的性質(zhì)，如在電學(xué)方面，體相MoS_2是間接帶隙半導(dǎo)體，帶隙約為1.2eV，而當(dāng)被剝離為單層時(shí)，由于量子限域效應(yīng)，其能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訋栋雽?dǎo)體，帶隙增大到約1.8-1.9eV，這種直接帶隙特性使其在光電器件中具有重要的應(yīng)用價(jià)值，如可用于制備高性能的光電探測器、發(fā)光二極管等。二硫化鉬還具有良好的機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性，在催化、潤滑等領(lǐng)域也展現(xiàn)出潛在的應(yīng)用前景。黑磷作為一種新型的二維半導(dǎo)體材料，近年來也引起了廣泛的研究興趣。它是磷的一種同素異形體，具有類似于石墨的層狀結(jié)構(gòu)，原子層間通過范德華力相互作用堆疊在一起。在單層黑磷（又稱磷烯）中，每個(gè)磷原子與3個(gè)相鄰的磷原子以共價(jià)鍵的形式結(jié)合，形成一個(gè)褶皺的蜂窩結(jié)構(gòu)。這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)賦予了黑磷許多優(yōu)異的特性，從電學(xué)性能來看，黑磷是天然的P型半導(dǎo)體，具有直接帶隙，且?guī)犊赏ㄟ^改變堆疊的磷層數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，其帶隙范圍從單層的1.7eV隨著厚度的增加逐漸縮減至塊材的0.3eV，覆蓋了中紅外到可見光波段，這一特性使其在光電器件和半導(dǎo)體器件中具有廣泛的應(yīng)用潛力，如可用于制備高速晶體管、紅外光探測器等。黑磷還具有較高的室溫載流子遷移率、良好的光學(xué)透過性以及較高的比表面積等特性，在能源存儲與轉(zhuǎn)換、傳感器等領(lǐng)域也展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。然而，黑磷在空氣中的穩(wěn)定性較差，容易被氧化，這在一定程度上限制了其實(shí)際應(yīng)用，因此如何提高黑磷的穩(wěn)定性是當(dāng)前研究的重點(diǎn)之一。氮化硼（BN）也是一種重要的二維半導(dǎo)體材料，它具有類似于石墨烯的六角形晶格結(jié)構(gòu)，可分為六方氮化硼（h-BN）和立方氮化硼（c-BN）等不同晶型。其中，六方氮化硼是一種典型的層狀材料，層間通過范德華力相互作用。在單層六方氮化硼中，硼原子和氮原子通過共價(jià)鍵交替連接，形成穩(wěn)定的二維平面。與石墨烯不同的是，六方氮化硼具有較大的帶隙，約為6.0eV，這使得它在絕緣和半導(dǎo)體應(yīng)用方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。在電子學(xué)領(lǐng)域，六方氮化硼可以作為高質(zhì)量的襯底材料，用于生長其他二維材料，以制備高性能的異質(zhì)結(jié)構(gòu)器件。由于其良好的絕緣性能和高的熱導(dǎo)率，六方氮化硼還可用于制備電子器件的散熱材料和絕緣層。立方氮化硼則具有與金剛石類似的結(jié)構(gòu)，硬度極高，僅次于金剛石，在超硬材料領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。2.2獨(dú)特的物理性質(zhì)新型二維半導(dǎo)體材料以其獨(dú)特的原子結(jié)構(gòu)和電子特性，展現(xiàn)出一系列與傳統(tǒng)三維半導(dǎo)體材料截然不同的物理性質(zhì)，這些特性為其在眾多領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。高載流子遷移率是新型二維半導(dǎo)體材料的重要特性之一。在二維材料中，由于原子級的厚度和二維平面內(nèi)的原子排列方式，載流子受到的散射作用相對較弱，從而使得載流子遷移率顯著提高。以二硫化鉬為例，其單層結(jié)構(gòu)中的載流子遷移率在室溫下可達(dá)200cm^2/(V·s)，這一數(shù)值雖然相較于一些傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料（如硅在室溫下的載流子遷移率約為1400cm^2/(V·s)）并不占優(yōu)勢，但在二維材料體系中，這樣的遷移率為實(shí)現(xiàn)高速、低功耗的電子器件提供了可能。在基于二硫化鉬的場效應(yīng)晶體管中，較高的載流子遷移率能夠使得電子在溝道中快速傳輸，從而提高器件的開關(guān)速度，降低器件的功耗。對于黑磷而言，其載流子遷移率在室溫下可達(dá)到1000cm^2/(V·s)左右，這一特性使得黑磷在高速晶體管、高頻電子器件等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。高載流子遷移率還使得二維半導(dǎo)體材料在傳感器領(lǐng)域展現(xiàn)出優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)對微弱信號的快速響應(yīng)和檢測?？烧{(diào)帶隙是新型二維半導(dǎo)體材料的又一關(guān)鍵特性。傳統(tǒng)的石墨烯由于其零帶隙的特性，在半導(dǎo)體器件應(yīng)用中受到了很大的限制。而新型二維半導(dǎo)體材料如二硫化鉬、黑磷等，具有固有帶隙，并且這些材料的帶隙可以通過多種方式進(jìn)行調(diào)控。對于二硫化鉬，當(dāng)它從體相轉(zhuǎn)變?yōu)閱螌訒r(shí)，由于量子限域效應(yīng)，其能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，帶隙從體相的間接帶隙（約1.2eV）轉(zhuǎn)變?yōu)閱螌拥闹苯訋叮s1.8-1.9eV），這種帶隙的變化使得二硫化鉬在光電器件中的應(yīng)用更加廣泛。通過施加外部電場、化學(xué)摻雜等方法，還可以進(jìn)一步精確調(diào)控二硫化鉬的帶隙。在施加垂直電場時(shí)，二硫化鉬的帶隙會發(fā)生相應(yīng)的變化，這一特性為實(shí)現(xiàn)可調(diào)控的光電器件提供了可能。黑磷的帶隙可通過改變堆疊的磷層數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，其帶隙范圍從單層的1.7eV隨著厚度的增加逐漸縮減至塊材的0.3eV，這種連續(xù)可調(diào)的帶隙特性使得黑磷能夠滿足不同光電器件對帶隙的需求，如在紅外光探測器、可見光發(fā)光二極管等器件中具有重要的應(yīng)用前景。新型二維半導(dǎo)體材料還表現(xiàn)出強(qiáng)光學(xué)非線性。由于二維材料的原子級厚度和高的表面積與體積比，使得光與物質(zhì)之間的相互作用得到顯著增強(qiáng)，從而導(dǎo)致強(qiáng)光學(xué)非線性效應(yīng)的出現(xiàn)。以二硫化鉬為例，它在光激發(fā)下能夠產(chǎn)生高效的二次諧波產(chǎn)生（SHG）、三次諧波產(chǎn)生（THG）等非線性光學(xué)過程。在一些研究中，通過將二硫化鉬與其他材料（如金屬納米結(jié)構(gòu)、介電材料等）復(fù)合，進(jìn)一步增強(qiáng)了其光學(xué)非線性效應(yīng)。利用二硫化鉬與金屬納米顆粒的表面等離子體共振效應(yīng)相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)對二次諧波信號的增強(qiáng)，這一特性在光通信、光信號處理等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。強(qiáng)光學(xué)非線性還使得二維半導(dǎo)體材料在光存儲、光開關(guān)等光電器件中具有重要的應(yīng)用前景，能夠?qū)崿F(xiàn)高速、低功耗的光信息處理。除了上述特性外，新型二維半導(dǎo)體材料還具有良好的柔韌性和機(jī)械性能。由于其原子級的厚度和二維平面內(nèi)的原子間強(qiáng)共價(jià)鍵作用，使得二維材料在保持良好電學(xué)和光學(xué)性能的同時(shí)，能夠承受一定程度的彎曲和拉伸。以石墨烯為代表的二維材料，其楊氏模量可達(dá)到1TPa左右，這表明石墨烯具有較高的機(jī)械強(qiáng)度。二硫化鉬、黑磷等二維半導(dǎo)體材料也具有一定的柔韌性和機(jī)械穩(wěn)定性，這使得它們在柔性電子器件中具有廣闊的應(yīng)用前景，如可用于制備柔性顯示屏、可穿戴電子設(shè)備等。在柔性顯示屏中，二維半導(dǎo)體材料可以作為有源層，實(shí)現(xiàn)柔性、可彎曲的顯示功能，滿足人們對可穿戴、便攜式電子設(shè)備的需求。新型二維半導(dǎo)體材料的獨(dú)特物理性質(zhì)，如高載流子遷移率、可調(diào)帶隙、強(qiáng)光學(xué)非線性以及良好的柔韌性和機(jī)械性能等，為其在電子學(xué)、光電子學(xué)、能源等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了廣闊的空間，有望推動這些領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展，為解決實(shí)際應(yīng)用中的關(guān)鍵問題提供新的材料選擇和技術(shù)途徑。2.3常見二維半導(dǎo)體材料介紹2.3.1二硫化鉬（MoS_2）二硫化鉬（MoS_2）作為一種典型的過渡金屬二硫族化合物，在新型二維半導(dǎo)體材料領(lǐng)域中占據(jù)著重要的地位。其晶體結(jié)構(gòu)獨(dú)特，由一個(gè)鉬原子層夾在上下兩個(gè)硫原子層之間，形成穩(wěn)定的S-Mo-S三原子層結(jié)構(gòu)。在單層MoS_2中，鉬原子與周圍的硫原子通過強(qiáng)共價(jià)鍵結(jié)合，構(gòu)建起二維平面結(jié)構(gòu)，而層與層之間則依靠較弱的范德華力相互作用。這種層狀結(jié)構(gòu)賦予了MoS_2許多優(yōu)異的物理性質(zhì)，使其在電子器件和光電器件等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。從電子結(jié)構(gòu)的角度來看，體相MoS_2呈現(xiàn)出間接帶隙半導(dǎo)體的特性，其帶隙約為1.2eV。在體相材料中，電子躍遷需要聲子的參與，這是因?yàn)閮r(jià)帶頂和導(dǎo)帶底對應(yīng)的波矢k值不同，電子在躍遷過程中不僅發(fā)生能量的變化，還伴隨著動量的改變，這種動量的變化以釋放或吸收聲子（即晶格振動）的形式來實(shí)現(xiàn)。然而，當(dāng)MoS_2被剝離為單層時(shí)，量子限域效應(yīng)顯著改變了其能帶結(jié)構(gòu)，使其轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訋栋雽?dǎo)體，帶隙增大到約1.8-1.9eV。在單層MoS_2中，價(jià)帶頂和導(dǎo)帶底對應(yīng)的波矢k值相同，電子躍遷表現(xiàn)為直接躍遷，即躍遷過程中只有能量發(fā)生變化，動量不變，這種躍遷只需要光子的參與，不需要額外的聲子，因此量子效率更高，光吸收和發(fā)射過程更加高效。在電學(xué)性質(zhì)方面，單層MoS_2的載流子遷移率在室溫下可達(dá)200cm^2/(V·s)，盡管這一數(shù)值相較于一些傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料（如硅在室溫下的載流子遷移率約為1400cm^2/(V·s)）略顯遜色，但在二維材料體系中，這樣的遷移率為實(shí)現(xiàn)高速、低功耗的電子器件提供了基礎(chǔ)。在基于MoS_2的場效應(yīng)晶體管中，較高的載流子遷移率使得電子能夠在溝道中快速傳輸，從而提高了器件的開關(guān)速度，降低了器件的功耗。由于MoS_2具有原子級的厚度，能夠有效抑制短溝道效應(yīng)，使得基于MoS_2的場效應(yīng)晶體管在尺寸縮小的情況下仍能保持良好的電學(xué)性能。研究表明，基于MoS_2的場效應(yīng)晶體管的開關(guān)比可達(dá)到10^8以上，展現(xiàn)出了優(yōu)異的電學(xué)性能，為實(shí)現(xiàn)更小尺寸、更高性能的集成電路提供了新的途徑。MoS_2在光電器件中的應(yīng)用潛力也十分顯著。其直接帶隙特性使得它在光激發(fā)下能夠高效地產(chǎn)生電子-空穴對，從而實(shí)現(xiàn)光與電的相互轉(zhuǎn)換。在光電探測器中，MoS_2能夠?qū)目梢姽獾郊t外光的廣譜光線產(chǎn)生響應(yīng)，其光響應(yīng)特性優(yōu)異，能夠在較低光強(qiáng)下仍保持高敏感度，且響應(yīng)時(shí)間極短，可達(dá)到毫秒甚至微秒級別，比傳統(tǒng)的硅基探測器快得多，特別適合于高速成像、光通信等高精度、高速應(yīng)用場景。在發(fā)光二極管和激光器等光發(fā)射器件中，MoS_2也展現(xiàn)出了良好的性能，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料優(yōu)化，有望實(shí)現(xiàn)高效率的光發(fā)射，為光通信和光顯示等領(lǐng)域的發(fā)展提供支持。二硫化鉬憑借其獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和電學(xué)性質(zhì)，在電子器件和光電器件等領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。隨著研究的不斷深入和技術(shù)的不斷進(jìn)步，MoS_2有望在未來的半導(dǎo)體技術(shù)中發(fā)揮重要作用，推動電子學(xué)和光電子學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展。2.3.2黑磷（BP）黑磷（BP）作為一種新型的二維半導(dǎo)體材料，近年來在材料科學(xué)和電子學(xué)領(lǐng)域引起了廣泛的關(guān)注。它是磷的一種同素異形體，具有類似于石墨的層狀結(jié)構(gòu)，原子層間通過范德華力相互作用堆疊在一起。在單層黑磷（又稱磷烯）中，每個(gè)磷原子與3個(gè)相鄰的磷原子以共價(jià)鍵的形式結(jié)合，形成一個(gè)褶皺的蜂窩結(jié)構(gòu)。這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)賦予了黑磷許多優(yōu)異的物理性質(zhì)，使其在高速電子學(xué)和光電子學(xué)等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。從結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來看，黑磷的層狀結(jié)構(gòu)使其具有明顯的各向異性。在面內(nèi)方向上，由于磷原子之間的共價(jià)鍵作用，黑磷表現(xiàn)出較高的力學(xué)強(qiáng)度和電學(xué)各向異性。這種各向異性不僅提供了一個(gè)研究各向異性材料物理特性的平臺，同時(shí)也為器件設(shè)計(jì)提供了新的自由度。例如，在電子器件中，可以利用黑磷的各向異性來實(shí)現(xiàn)對電子傳輸方向的控制，從而提高器件的性能和功能。在光電器件中，黑磷的各向異性光吸收特性可以用于制備偏振光探測器，實(shí)現(xiàn)對特定偏振方向光的高效探測。黑磷的能帶特性是其重要的物理性質(zhì)之一。它是天然的P型半導(dǎo)體，具有直接帶隙，且?guī)犊赏ㄟ^改變堆疊的磷層數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。其帶隙范圍從單層的1.7eV隨著厚度的增加逐漸縮減至塊材的0.3eV，覆蓋了中紅外到可見光波段。這種連續(xù)可調(diào)的帶隙特性使得黑磷能夠滿足不同光電器件對帶隙的需求。在紅外光探測器中，黑磷的中紅外波段響應(yīng)特性使其能夠?qū)χ屑t外光進(jìn)行高效探測，可用于夜視成像、紅外通信等領(lǐng)域。在可見光發(fā)光二極管中，通過控制黑磷的層數(shù)和結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)對可見光的發(fā)射，為光顯示和照明等領(lǐng)域提供新的材料選擇。在電學(xué)性能方面，黑磷具有較高的室溫載流子遷移率，可達(dá)到1000cm^2/(V·s)左右。這一特性使得黑磷在高速晶體管和高頻電子器件等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。在高速晶體管中，較高的載流子遷移率能夠提高電子的傳輸速度，從而提高晶體管的開關(guān)速度，降低器件的功耗。在高頻電子器件中，黑磷的高載流子遷移率和良好的電學(xué)性能可以實(shí)現(xiàn)對高頻信號的快速響應(yīng)和處理，為5G通信、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的發(fā)展提供支持。在實(shí)際應(yīng)用中，黑磷也面臨一些挑戰(zhàn)。由于其在空氣中的穩(wěn)定性較差，容易被氧化，這在一定程度上限制了其實(shí)際應(yīng)用。為了解決這一問題，研究人員提出了多種方法，如表面鈍化、封裝保護(hù)等。通過在黑磷表面覆蓋一層保護(hù)性的材料，如六方氮化硼、二氧化硅等，可以有效地阻止黑磷與空氣的接觸，提高其穩(wěn)定性。還可以通過優(yōu)化制備工藝和材料結(jié)構(gòu)，提高黑磷的本征穩(wěn)定性。黑磷作為一種具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)和優(yōu)異性能的二維半導(dǎo)體材料，在高速電子學(xué)和光電子學(xué)等領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。盡管面臨一些挑戰(zhàn)，但隨著研究的不斷深入和技術(shù)的不斷進(jìn)步，黑磷有望在未來的半導(dǎo)體技術(shù)中發(fā)揮重要作用，推動相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展和創(chuàng)新。2.3.3硒氧化鉍（Bi_2O_2Se）硒氧化鉍（Bi_2O_2Se）是一種新型的二維半導(dǎo)體材料，近年來受到了廣泛的研究關(guān)注。它具有獨(dú)特的材料特性，在多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出潛在的應(yīng)用價(jià)值，尤其是在紅外探測領(lǐng)域，展現(xiàn)出了優(yōu)異的性能。Bi_2O_2Se的晶體結(jié)構(gòu)屬于四方晶系，其基本結(jié)構(gòu)單元由交替堆疊的Bi_2O_2^{2+}層和Se^{2-}層組成。這種層狀結(jié)構(gòu)使得Bi_2O_2Se具有類似于其他二維材料的一些特性，如層間通過較弱的范德華力相互作用，易于剝離成單層或少數(shù)層結(jié)構(gòu)。在單層或少數(shù)層的Bi_2O_2Se中，由于量子限域效應(yīng)和表面效應(yīng)的增強(qiáng)，其物理性質(zhì)得到進(jìn)一步優(yōu)化，展現(xiàn)出與塊體材料不同的特性。從材料特性來看，Bi_2O_2Se具有高電子遷移率的特點(diǎn)。在二維體系中，電子的散射機(jī)制相對較少，使得Bi_2O_2Se中的電子能夠在平面內(nèi)快速傳輸，其電子遷移率在室溫下可達(dá)到較高的數(shù)值，這為實(shí)現(xiàn)高速電子器件提供了可能。在基于Bi_2O_2Se的場效應(yīng)晶體管中，高電子遷移率能夠使得電子在溝道中快速移動，從而提高器件的開關(guān)速度，降低功耗，有望應(yīng)用于高性能集成電路和高速邏輯器件中。Bi_2O_2Se還具有合適的帶隙。其帶隙值約為0.3-0.9eV，這一范圍使其對紅外光具有良好的吸收和響應(yīng)特性。在紅外探測領(lǐng)域，合適的帶隙能夠保證材料在紅外波段具有較高的光吸收效率，從而有效地將紅外光信號轉(zhuǎn)換為電信號。與其他紅外探測材料相比，Bi_2O_2Se的帶隙可通過一些外部手段進(jìn)行調(diào)控，如施加電場、化學(xué)摻雜等，這為實(shí)現(xiàn)可調(diào)節(jié)的紅外探測器提供了可能。通過施加?xùn)艠O電壓，可以改變Bi_2O_2Se的能帶結(jié)構(gòu)，從而調(diào)節(jié)其對不同波長紅外光的響應(yīng)靈敏度，滿足不同應(yīng)用場景對紅外探測的需求。在實(shí)際應(yīng)用中，Bi_2O_2Se在紅外探測領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的潛力。由于其對紅外光的高響應(yīng)特性，可用于制備高性能的紅外探測器。這種探測器能夠?qū)t外光進(jìn)行快速、靈敏的檢測，可應(yīng)用于夜視成像、紅外通信、安防監(jiān)控等領(lǐng)域。在夜視成像中，基于Bi_2O_2Se的紅外探測器能夠在低光照條件下捕捉到目標(biāo)物體發(fā)出的紅外輻射，實(shí)現(xiàn)清晰的成像，為夜間行動提供重要的視覺支持。在紅外通信中，Bi_2O_2Se紅外探測器能夠快速準(zhǔn)確地接收紅外光信號，實(shí)現(xiàn)高速、穩(wěn)定的通信傳輸。除了紅外探測領(lǐng)域，Bi_2O_2Se還在其他領(lǐng)域展現(xiàn)出潛在的應(yīng)用價(jià)值。由于其獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)，在自旋電子學(xué)、量子比特等領(lǐng)域也有研究探索。在自旋電子學(xué)中，Bi_2O_2Se的電子自旋特性有望用于構(gòu)建新型的自旋電子器件，實(shí)現(xiàn)信息的高效存儲和處理。在量子比特領(lǐng)域，Bi_2O_2Se的量子特性可能為量子計(jì)算的發(fā)展提供新的材料基礎(chǔ)。硒氧化鉍（Bi_2O_2Se）憑借其高電子遷移率、合適帶隙等獨(dú)特的材料特性，在紅外探測等領(lǐng)域展現(xiàn)出了重要的應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)在其他新興領(lǐng)域也具有潛在的發(fā)展前景。隨著研究的不斷深入和技術(shù)的不斷進(jìn)步，Bi_2O_2Se有望在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用，為相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展帶來新的機(jī)遇和突破。三、新型二維半導(dǎo)體材料的物性調(diào)控3.1影響物性的因素分析3.1.1內(nèi)在因素材料的原子結(jié)構(gòu)是決定其物理性質(zhì)的基礎(chǔ)。在新型二維半導(dǎo)體材料中，原子的排列方式、鍵長、鍵角以及原子間的相互作用等因素對材料的電學(xué)、光學(xué)和力學(xué)性能產(chǎn)生著深遠(yuǎn)的影響。以二硫化鉬（MoS_2）為例，其晶體結(jié)構(gòu)由一個(gè)鉬原子層夾在兩個(gè)硫原子層之間，形成S-Mo-S三原子層結(jié)構(gòu)，層內(nèi)原子通過強(qiáng)共價(jià)鍵結(jié)合，層間則通過較弱的范德華力相互作用。這種獨(dú)特的原子結(jié)構(gòu)使得MoS_2具有直接帶隙和高載流子遷移率等特性。理論研究表明，MoS_2的能帶結(jié)構(gòu)與原子間的鍵長和鍵角密切相關(guān)，通過改變原子結(jié)構(gòu)，可以有效地調(diào)控其帶隙大小和載流子遷移率。在應(yīng)變工程中，對MoS_2施加拉伸或壓縮應(yīng)變，會導(dǎo)致原子間的鍵長和鍵角發(fā)生變化，從而改變材料的能帶結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對帶隙的調(diào)控。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)對單層MoS_2施加約2%的拉伸應(yīng)變時(shí)，其帶隙可減小約50meV，這種通過原子結(jié)構(gòu)調(diào)控實(shí)現(xiàn)的帶隙變化，為MoS_2在光電器件中的應(yīng)用提供了更多的可能性。晶體缺陷是影響新型二維半導(dǎo)體材料物性的另一個(gè)重要內(nèi)在因素。晶體缺陷包括點(diǎn)缺陷（如空位、間隙原子、雜質(zhì)原子等）、線缺陷（如位錯(cuò)）和面缺陷（如層錯(cuò)、晶界等）。這些缺陷的存在會改變材料的電子結(jié)構(gòu)和原子間的相互作用，從而對材料的電學(xué)、光學(xué)和力學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響。在二硫化鉬中，硫空位是一種常見的點(diǎn)缺陷，它會在材料的能帶結(jié)構(gòu)中引入局域態(tài)，影響載流子的輸運(yùn)和復(fù)合過程。研究表明，硫空位的存在會導(dǎo)致MoS_2的電學(xué)性能發(fā)生變化，使材料的電導(dǎo)率降低，載流子遷移率下降。硫空位還會影響MoS_2的光學(xué)性能，增強(qiáng)其對光的吸收和發(fā)射，這一特性在光電器件中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。位錯(cuò)等線缺陷會影響材料的力學(xué)性能，降低材料的強(qiáng)度和韌性。在二維材料中，位錯(cuò)的存在會導(dǎo)致原子排列的不規(guī)則性增加，從而使材料在受力時(shí)更容易發(fā)生變形和斷裂。電子關(guān)聯(lián)在新型二維半導(dǎo)體材料的物性中也起著關(guān)鍵作用。電子關(guān)聯(lián)是指電子之間的相互作用，包括庫侖相互作用、交換相互作用等。在二維材料中，由于電子的空間限制和量子漲落的增強(qiáng)，電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)更為顯著。以黑磷為例，其電子結(jié)構(gòu)受到電子關(guān)聯(lián)的影響，導(dǎo)致其能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生重整化，帶隙減小。理論計(jì)算表明，在考慮電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)后，黑磷的帶隙比不考慮電子關(guān)聯(lián)時(shí)減小了約0.2eV，這表明電子關(guān)聯(lián)對黑磷的電學(xué)性能具有重要影響。電子關(guān)聯(lián)還會影響材料的磁性和超導(dǎo)性等性質(zhì)。在一些過渡金屬二硫族化合物中，電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)可以導(dǎo)致材料出現(xiàn)磁性或超導(dǎo)性，這為研究新型量子材料提供了新的方向。3.1.2外在因素溫度是影響新型二維半導(dǎo)體材料物性的重要外在因素之一。隨著溫度的變化，材料的原子熱振動加劇，電子的熱激發(fā)也會發(fā)生變化，從而對材料的電學(xué)、光學(xué)和熱學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響。在電學(xué)性能方面，溫度升高會導(dǎo)致材料的載流子濃度和遷移率發(fā)生變化。對于本征半導(dǎo)體，溫度升高會使本征載流子濃度增加，電導(dǎo)率增大；而對于摻雜半導(dǎo)體，溫度升高會導(dǎo)致雜質(zhì)電離增強(qiáng)，載流子濃度增加，但同時(shí)也會使晶格振動加劇，載流子散射增強(qiáng)，遷移率下降。在二硫化鉬中，隨著溫度的升高，其載流子遷移率逐漸下降，這是由于晶格振動加劇，導(dǎo)致載流子與聲子的散射增強(qiáng)。在光學(xué)性能方面，溫度變化會影響材料的帶隙和光吸收發(fā)射特性。溫度升高會使材料的帶隙減小，這是因?yàn)樵訜嵴駝訉?dǎo)致晶格常數(shù)發(fā)生變化，從而影響了能帶結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在一定溫度范圍內(nèi)，二硫化鉬的帶隙隨溫度升高而線性減小，其溫度系數(shù)約為-2.5meV/K，這種帶隙隨溫度的變化會影響材料在光電器件中的性能，如光電探測器的響應(yīng)波長和靈敏度等。壓力作為一種外在因素，對新型二維半導(dǎo)體材料的物性也有著重要的調(diào)控作用。施加壓力會改變材料的原子間距和晶體結(jié)構(gòu)，從而影響材料的電子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)。在壓力作用下，材料的能帶結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，帶隙大小和形狀也會相應(yīng)改變。研究表明，對二硫化鉬施加壓力，其帶隙會逐漸減小，當(dāng)壓力達(dá)到一定程度時(shí)，材料可能會發(fā)生半導(dǎo)體-金屬轉(zhuǎn)變。在高壓下，二硫化鉬的晶體結(jié)構(gòu)會發(fā)生相變，從2H相轉(zhuǎn)變?yōu)?T相，這種相變伴隨著電子結(jié)構(gòu)的顯著變化，導(dǎo)致材料的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變。壓力還會影響材料的力學(xué)性能，使材料的硬度和彈性模量發(fā)生變化。在一些二維材料中，施加壓力可以提高材料的硬度和強(qiáng)度，這對于制備高性能的機(jī)械器件具有重要意義。電場和磁場是調(diào)控新型二維半導(dǎo)體材料物性的重要手段。電場可以通過改變材料的電子分布和能帶結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對材料電學(xué)和光學(xué)性能的調(diào)控。在基于二維半導(dǎo)體材料的場效應(yīng)晶體管中，通過施加?xùn)艠O電壓，可以調(diào)節(jié)溝道中的載流子濃度和遷移率，從而實(shí)現(xiàn)對器件電學(xué)性能的控制。在二硫化鉬場效應(yīng)晶體管中，當(dāng)施加正向柵極電壓時(shí)，溝道中的載流子濃度增加，電導(dǎo)率增大，器件處于導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)施加反向柵極電壓時(shí)，載流子濃度減小，電導(dǎo)率降低，器件處于截止?fàn)顟B(tài)。電場還可以調(diào)控材料的光學(xué)性質(zhì)，如通過電場誘導(dǎo)的斯塔克效應(yīng)，可以改變材料的帶隙和光吸收發(fā)射特性。在一些二維材料中，施加電場可以使材料的帶隙發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)對光電器件的波長調(diào)諧和光開關(guān)等功能。磁場對新型二維半導(dǎo)體材料的物性也有著獨(dú)特的調(diào)控作用。在磁場作用下，材料中的電子會受到洛倫茲力的作用，導(dǎo)致電子的運(yùn)動軌跡發(fā)生改變，從而影響材料的電學(xué)和磁學(xué)性能。在二維材料中，磁場可以誘導(dǎo)出量子霍爾效應(yīng)等新奇的物理現(xiàn)象。在石墨烯中，當(dāng)施加垂直磁場時(shí)，會出現(xiàn)量子霍爾效應(yīng)，電子在磁場的作用下形成朗道能級，導(dǎo)致霍爾電阻出現(xiàn)量子化平臺。這種量子霍爾效應(yīng)不僅具有重要的科學(xué)研究價(jià)值，還在量子計(jì)量和高速電子器件等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。磁場還可以影響材料的磁性和自旋相關(guān)性質(zhì)，為自旋電子學(xué)的發(fā)展提供了新的研究方向。在一些具有磁性的二維半導(dǎo)體材料中，磁場可以調(diào)控材料的磁矩和磁各向異性，實(shí)現(xiàn)對自旋信息的存儲和處理。3.2物性調(diào)控的方法與技術(shù)3.2.1化學(xué)摻雜化學(xué)摻雜是一種廣泛應(yīng)用于調(diào)控新型二維半導(dǎo)體材料物性的重要方法，其原理基于在材料中引入特定的雜質(zhì)原子，從而改變材料的電子結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能。在半導(dǎo)體物理中，雜質(zhì)原子的引入會在材料的能帶結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生額外的能級，這些能級可以作為載流子的施主或受主，從而有效地調(diào)控材料的電學(xué)性質(zhì)。以二硫化鉬（MoS_2）為例，當(dāng)對其進(jìn)行化學(xué)摻雜時(shí)，可通過選擇合適的雜質(zhì)原子來實(shí)現(xiàn)對其電學(xué)性能的調(diào)控。若將氮原子（N）作為雜質(zhì)原子引入MoS_2中，由于氮原子的外層電子結(jié)構(gòu)與硫原子不同，其在MoS_2的晶格中會形成新的電子態(tài)。理論研究表明，氮原子的摻雜會在MoS_2的導(dǎo)帶底附近引入施主能級，使得材料中的電子濃度增加，從而實(shí)現(xiàn)n型摻雜。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn)，通過化學(xué)氣相沉積（CVD）等方法將氮原子摻雜到MoS_2中，發(fā)現(xiàn)材料的電導(dǎo)率明顯提高，且霍爾測量表明載流子類型為電子，這表明氮摻雜成功地將MoS_2轉(zhuǎn)變?yōu)閚型半導(dǎo)體。在實(shí)際應(yīng)用中，這種n型摻雜的MoS_2可用于制備高性能的場效應(yīng)晶體管，提高器件的電子遷移率和開關(guān)速度。除了對電學(xué)性能的影響，化學(xué)摻雜還會對新型二維半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生顯著影響。以黑磷（BP）為例，當(dāng)對其進(jìn)行化學(xué)摻雜時(shí)，雜質(zhì)原子的引入會改變黑磷的能帶結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響其光吸收和發(fā)射特性。研究發(fā)現(xiàn)，通過對黑磷進(jìn)行硼（B）摻雜，硼原子會在黑磷的價(jià)帶頂附近引入受主能級，使得價(jià)帶中的空穴濃度增加，實(shí)現(xiàn)p型摻雜。這種p型摻雜的黑磷在光學(xué)性質(zhì)上表現(xiàn)出與本征黑磷不同的特性，其光吸收邊發(fā)生了明顯的紅移，這意味著材料對長波長光的吸收能力增強(qiáng)。在光電器件應(yīng)用中，p型摻雜的黑磷可用于制備紅外光探測器，提高探測器對紅外光的響應(yīng)靈敏度和探測范圍?；瘜W(xué)摻雜對新型二維半導(dǎo)體材料的電學(xué)和光學(xué)性能具有重要的調(diào)控作用。通過精確控制摻雜原子的種類、濃度和分布，可以實(shí)現(xiàn)對材料電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)的精確調(diào)控，為新型二維半導(dǎo)體材料在電子學(xué)和光電子學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了有力的技術(shù)支持。然而，化學(xué)摻雜過程中也可能引入一些雜質(zhì)相關(guān)的缺陷，這些缺陷可能會對材料的性能產(chǎn)生負(fù)面影響，因此在實(shí)際應(yīng)用中需要進(jìn)一步研究如何優(yōu)化摻雜工藝，減少雜質(zhì)缺陷的產(chǎn)生，以充分發(fā)揮化學(xué)摻雜對材料物性調(diào)控的優(yōu)勢。3.2.2施加外場施加外場是調(diào)控新型二維半導(dǎo)體材料物性的重要手段之一，其中電場、磁場和壓力等外場能夠通過不同的物理機(jī)制對材料的電子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)產(chǎn)生顯著影響。在電場調(diào)控方面，基于二維半導(dǎo)體材料的場效應(yīng)晶體管（FET）是最典型的應(yīng)用實(shí)例。以二硫化鉬（MoS_2）場效應(yīng)晶體管為例，其基本結(jié)構(gòu)通常由源極、漏極、柵極和作為溝道的MoS_2二維材料組成。當(dāng)在柵極上施加電壓時(shí)，會在MoS_2溝道中產(chǎn)生垂直于二維平面的電場。根據(jù)半導(dǎo)體物理中的靜電學(xué)原理，這個(gè)電場會改變MoS_2的能帶結(jié)構(gòu)，具體表現(xiàn)為能帶的彎曲和載流子濃度的變化。當(dāng)施加正向柵極電壓時(shí)，電場會吸引電子進(jìn)入溝道，使溝道中的載流子濃度增加，從而降低溝道電阻，使器件處于導(dǎo)通狀態(tài)；反之，當(dāng)施加反向柵極電壓時(shí)，電場會排斥電子，使溝道中的載流子濃度減小，溝道電阻增大，器件處于截止?fàn)顟B(tài)。通過這種方式，電場有效地調(diào)控了MoS_2的電學(xué)性能，實(shí)現(xiàn)了對器件開關(guān)狀態(tài)的控制。研究表明，通過精確控制柵極電壓，可以實(shí)現(xiàn)對MoS_2場效應(yīng)晶體管閾值電壓的精確調(diào)控，從而提高器件的性能和穩(wěn)定性。在實(shí)際應(yīng)用中，這種電場調(diào)控的特性使得MoS_2場效應(yīng)晶體管在集成電路、邏輯電路等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，能夠?qū)崿F(xiàn)高性能、低功耗的電子器件。磁場對新型二維半導(dǎo)體材料的物性調(diào)控也具有獨(dú)特的作用。在二維材料中，磁場的施加會導(dǎo)致電子受到洛倫茲力的作用，從而改變電子的運(yùn)動軌跡和能量狀態(tài)，進(jìn)而影響材料的電學(xué)和磁學(xué)性能。以石墨烯為例，當(dāng)施加垂直于石墨烯平面的磁場時(shí)，會出現(xiàn)量子霍爾效應(yīng)。在量子霍爾效應(yīng)中，電子在磁場的作用下形成朗道能級，這些能級是量子化的，導(dǎo)致霍爾電阻出現(xiàn)量子化平臺。具體來說，當(dāng)磁場強(qiáng)度逐漸增加時(shí)，霍爾電阻會以h/e^2（h為普朗克常數(shù)，e為電子電荷）為單位進(jìn)行量子化變化，出現(xiàn)一系列的平臺。這種量子霍爾效應(yīng)不僅是一種重要的量子物理現(xiàn)象，而且在量子計(jì)量和高速電子器件等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。在量子計(jì)量中，量子霍爾電阻的精確量子化特性可以用于實(shí)現(xiàn)高精度的電阻標(biāo)準(zhǔn)；在高速電子器件中，利用量子霍爾效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)低功耗、高速的電子輸運(yùn)，提高器件的性能和速度。壓力作為一種外場，同樣能夠?qū)π滦投S半導(dǎo)體材料的物性產(chǎn)生重要影響。施加壓力會改變材料的原子間距和晶體結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致材料的電子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)發(fā)生變化。以二硫化鉬為例，在壓力作用下，MoS_2的晶體結(jié)構(gòu)會發(fā)生相變，從2H相轉(zhuǎn)變?yōu)?T相。這種相變伴隨著電子結(jié)構(gòu)的顯著變化，導(dǎo)致材料的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變。研究表明，在壓力作用下，MoS_2的帶隙會逐漸減小，當(dāng)壓力達(dá)到一定程度時(shí)，材料可能會發(fā)生半導(dǎo)體-金屬轉(zhuǎn)變。這種壓力誘導(dǎo)的相變和物性變化在高壓物理研究和新型材料開發(fā)中具有重要意義，為探索新型功能材料和器件提供了新的途徑。在高壓物理研究中，通過對MoS_2等二維半導(dǎo)體材料在高壓下的物性研究，可以深入了解材料在極端條件下的物理性質(zhì)和變化規(guī)律；在新型材料開發(fā)中，利用壓力調(diào)控材料的物性，可以制備出具有特殊性能的材料，滿足不同領(lǐng)域?qū)Σ牧闲阅艿男枨?。施加外場（電場、磁場、壓力）是調(diào)控新型二維半導(dǎo)體材料物性的有效方法，通過不同的物理機(jī)制，這些外場能夠顯著改變材料的電子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)，為新型二維半導(dǎo)體材料在電子學(xué)、量子物理、高壓物理等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了廣闊的空間和新的機(jī)遇。3.2.3結(jié)構(gòu)工程結(jié)構(gòu)工程是實(shí)現(xiàn)新型二維半導(dǎo)體材料物性調(diào)控的重要策略之一，通過改變材料的結(jié)構(gòu)，如制備異質(zhì)結(jié)、納米結(jié)構(gòu)等，可以顯著改變材料的電子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)對材料性能的有效調(diào)控。制備異質(zhì)結(jié)是一種常用的結(jié)構(gòu)工程方法，它通過將不同的二維半導(dǎo)體材料或二維材料與其他材料組合在一起，形成具有特殊性能的結(jié)構(gòu)。以二硫化鉬（MoS_2）與石墨烯組成的異質(zhì)結(jié)為例，這種異質(zhì)結(jié)的構(gòu)建基于兩種材料的特性互補(bǔ)。石墨烯具有優(yōu)異的電學(xué)性能，如高載流子遷移率和良好的導(dǎo)電性，而MoS_2具有合適的帶隙和獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)。當(dāng)MoS_2與石墨烯形成異質(zhì)結(jié)時(shí)，由于兩種材料之間的界面相互作用，會導(dǎo)致電子在界面處的重新分布，從而改變材料的電學(xué)和光學(xué)性能。在電學(xué)性能方面，石墨烯的高導(dǎo)電性可以作為電子的快速傳輸通道，提高M(jìn)oS_2的電子遷移率和電導(dǎo)率。研究表明，在MoS_2/石墨烯異質(zhì)結(jié)中，電子可以在石墨烯的二維平面內(nèi)快速傳輸，然后通過界面注入到MoS_2中，這種協(xié)同效應(yīng)使得異質(zhì)結(jié)的電學(xué)性能得到顯著提升。在光學(xué)性能方面，MoS_2的帶隙特性使得異質(zhì)結(jié)在光吸收和發(fā)射方面表現(xiàn)出獨(dú)特的性能。MoS_2的直接帶隙特性使其能夠高效地吸收和發(fā)射光子，而石墨烯的存在可以增強(qiáng)光與物質(zhì)的相互作用，提高光電器件的性能。在光探測器應(yīng)用中，MoS_2/石墨烯異質(zhì)結(jié)可以實(shí)現(xiàn)對光信號的快速響應(yīng)和高靈敏度探測，為高性能光探測器的制備提供了新的思路。制備納米結(jié)構(gòu)也是調(diào)控新型二維半導(dǎo)體材料物性的重要手段。通過將二維半導(dǎo)體材料制備成納米帶、量子點(diǎn)等納米結(jié)構(gòu)，可以利用量子限域效應(yīng)和表面效應(yīng)來改變材料的電子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)。以黑磷納米帶為例，由于量子限域效應(yīng)，納米帶的寬度和厚度對其電子結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響。當(dāng)黑磷被制備成納米帶時(shí)，其帶隙會隨著納米帶寬度的減小而增大。這是因?yàn)樵诩{米尺度下，電子的運(yùn)動受到限制，導(dǎo)致電子的能量量子化，從而使帶隙增大。理論計(jì)算表明，當(dāng)黑磷納米帶的寬度減小到幾個(gè)納米時(shí)，其帶隙可以增大到1.5eV以上，這種帶隙的調(diào)控為黑磷在光電器件中的應(yīng)用提供了更多的可能性。在納米結(jié)構(gòu)中，表面效應(yīng)也會對材料的性能產(chǎn)生重要影響。由于納米結(jié)構(gòu)的表面原子比例較高，表面原子的不飽和鍵和表面態(tài)會影響材料的電學(xué)和光學(xué)性能。在黑磷量子點(diǎn)中，表面態(tài)可以作為電子的捕獲中心，影響電子的輸運(yùn)和復(fù)合過程，從而改變材料的發(fā)光特性和光電轉(zhuǎn)換效率。通過對納米結(jié)構(gòu)的表面進(jìn)行修飾和調(diào)控，可以有效地改善材料的性能，提高其在光電器件和傳感器等領(lǐng)域的應(yīng)用性能。結(jié)構(gòu)工程通過制備異質(zhì)結(jié)和納米結(jié)構(gòu)等方式，能夠有效地調(diào)控新型二維半導(dǎo)體材料的物性，為新型二維半導(dǎo)體材料在電子學(xué)、光電子學(xué)、傳感器等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的途徑和方法。通過合理設(shè)計(jì)和制備不同的結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)對材料性能的精確調(diào)控，滿足不同領(lǐng)域?qū)Σ牧闲阅艿男枨?，推動新型二維半導(dǎo)體材料的應(yīng)用和發(fā)展。3.3物性調(diào)控的應(yīng)用案例3.3.1在電子器件中的應(yīng)用在電子器件領(lǐng)域，新型二維半導(dǎo)體材料的物性調(diào)控展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力，尤其是在晶體管和二極管等關(guān)鍵器件中，通過對材料物性的精確調(diào)控，能夠顯著提高器件的性能。以晶體管為例，隨著摩爾定律逐漸逼近物理極限，傳統(tǒng)硅基晶體管在尺寸縮小過程中面臨著諸多挑戰(zhàn)，如短溝道效應(yīng)、漏電流增加等問題，嚴(yán)重影響了器件的性能和可靠性。新型二維半導(dǎo)體材料因其原子級薄的厚度和獨(dú)特的電學(xué)性質(zhì)，為解決這些問題提供了新的途徑。二硫化鉬（MoS_2）作為一種典型的二維半導(dǎo)體材料，在晶體管應(yīng)用中具有重要的研究價(jià)值。研究人員通過對MoS_2進(jìn)行化學(xué)摻雜，成功實(shí)現(xiàn)了對其電學(xué)性能的調(diào)控。通過引入氮原子（N）進(jìn)行n型摻雜，在MoS_2的導(dǎo)帶底附近引入施主能級，使得材料中的電子濃度增加，從而提高了MoS_2晶體管的電子遷移率和開關(guān)速度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于n型摻雜MoS_2的場效應(yīng)晶體管，其開關(guān)比可達(dá)到10^8以上，載流子遷移率在室溫下可達(dá)200cm^2/(V·s)，有效抑制了短溝道效應(yīng)，為實(shí)現(xiàn)更小尺寸、更高性能的集成電路提供了可能。除了化學(xué)摻雜，電場調(diào)控也是優(yōu)化二維半導(dǎo)體晶體管性能的重要手段。在基于二硫化鉬的場效應(yīng)晶體管中，通過施加?xùn)艠O電壓，能夠改變MoS_2溝道中的電場分布，進(jìn)而調(diào)控載流子濃度和遷移率。當(dāng)施加正向柵極電壓時(shí)，電場吸引電子進(jìn)入溝道，使溝道中的載流子濃度增加，電導(dǎo)率增大，器件處于導(dǎo)通狀態(tài)；反之，當(dāng)施加反向柵極電壓時(shí)，電場排斥電子，使溝道中的載流子濃度減小，電導(dǎo)率降低，器件處于截止?fàn)顟B(tài)。通過精確控制柵極電壓，可以實(shí)現(xiàn)對MoS_2場效應(yīng)晶體管閾值電壓的精確調(diào)控，從而提高器件的性能和穩(wěn)定性。研究表明，通過電場調(diào)控，MoS_2場效應(yīng)晶體管的閾值電壓可以在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，滿足不同應(yīng)用場景對器件性能的需求。在二極管方面，新型二維半導(dǎo)體材料的物性調(diào)控同樣能夠顯著提升器件性能。以黑磷（BP）為例，其獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu)和電學(xué)性質(zhì)使其在二極管應(yīng)用中具有潛在的優(yōu)勢。通過對黑磷進(jìn)行結(jié)構(gòu)工程，制備出黑磷與其他材料的異質(zhì)結(jié)二極管，能夠有效改善二極管的電學(xué)性能。在黑磷與石墨烯組成的異質(zhì)結(jié)二極管中，由于石墨烯具有優(yōu)異的電學(xué)性能，如高載流子遷移率和良好的導(dǎo)電性，而黑磷具有合適的帶隙和獨(dú)特的電學(xué)性質(zhì)，兩者形成異質(zhì)結(jié)后，在界面處會產(chǎn)生內(nèi)建電場，促進(jìn)電子-空穴對的分離，從而提高二極管的整流比和開關(guān)速度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，黑磷/石墨烯異質(zhì)結(jié)二極管的整流比可達(dá)到10^6以上，開關(guān)速度可達(dá)到皮秒量級，展現(xiàn)出了優(yōu)異的電學(xué)性能，為高速、低功耗的電子器件應(yīng)用提供了新的選擇。新型二維半導(dǎo)體材料的物性調(diào)控在電子器件領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值，通過化學(xué)摻雜、電場調(diào)控和結(jié)構(gòu)工程等手段，能夠有效提高晶體管和二極管等器件的性能，為實(shí)現(xiàn)高性能、低功耗的電子器件提供了新的技術(shù)途徑，有望推動電子器件技術(shù)向更高水平發(fā)展。3.3.2在光電器件中的應(yīng)用在光電器件領(lǐng)域，新型二維半導(dǎo)體材料的物性調(diào)控對提升器件性能發(fā)揮著關(guān)鍵作用，尤其在光電探測器和發(fā)光二極管等器件中，展現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢和應(yīng)用潛力。在光電探測器方面，新型二維半導(dǎo)體材料的獨(dú)特光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)使其成為高性能光電探測的理想選擇。以二硫化鉬（MoS_2）為例，其單層結(jié)構(gòu)具有直接帶隙，能夠高效地吸收光子并產(chǎn)生電子-空穴對，從而實(shí)現(xiàn)光信號到電信號的轉(zhuǎn)換。通過對MoS_2進(jìn)行物性調(diào)控，可以進(jìn)一步優(yōu)化其光電探測性能。研究人員通過施加外場的方式，如在MoS_2光電探測器中施加電場，能夠改變材料的能帶結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)光生載流子的分離和傳輸效率。實(shí)驗(yàn)表明，施加適當(dāng)?shù)碾妶龊?，MoS_2光電探測器的響應(yīng)度可提高數(shù)倍，響應(yīng)速度也能得到顯著提升，能夠在更短的時(shí)間內(nèi)對光信號做出響應(yīng)。在一些基于MoS_2的光電探測器中，通過施加?xùn)艠O電壓，其響應(yīng)度可從原來的10mA/W提高到50mA/W以上，響應(yīng)時(shí)間可縮短至微秒量級，這使得MoS_2光電探測器在高速光通信、圖像傳感等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景?；瘜W(xué)摻雜也是調(diào)控MoS_2光電探測器性能的重要手段。通過對MoS_2進(jìn)行化學(xué)摻雜，如引入氮原子（N）進(jìn)行n型摻雜，能夠改變材料的電學(xué)性質(zhì)，增加載流子濃度，從而提高光電探測器的靈敏度和探測范圍。研究發(fā)現(xiàn)，n型摻雜的MoS_2光電探測器對紫外光和可見光的響應(yīng)靈敏度明顯提高，能夠探測到更微弱的光信號。在一些實(shí)驗(yàn)中，n型摻雜的MoS_2光電探測器在低光強(qiáng)下的響應(yīng)電流比未摻雜的器件提高了一個(gè)數(shù)量級以上，這表明化學(xué)摻雜能夠有效提升MoS_2光電探測器的性能，滿足不同應(yīng)用場景對光電探測的需求。在發(fā)光二極管方面，新型二維半導(dǎo)體材料的物性調(diào)控同樣能夠?qū)崿F(xiàn)器件性能的顯著提升。以硒化鎵（GaSe）為例，它是一種具有直接帶隙的二維半導(dǎo)體材料，在光發(fā)射領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。通過結(jié)構(gòu)工程的方法，制備出基于GaSe的異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管，能夠有效改善發(fā)光性能。在GaSe與氮化硼（BN）組成的異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管中，由于BN具有良好的絕緣性能和高的熱導(dǎo)率，能夠有效抑制載流子的泄漏和熱量的積累，從而提高發(fā)光二極管的發(fā)光效率和穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，GaSe/BN異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管的發(fā)光效率比單一的GaSe發(fā)光二極管提高了數(shù)倍，發(fā)光穩(wěn)定性也得到了顯著改善，能夠在更長時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定的發(fā)光狀態(tài)。在一些應(yīng)用中，GaSe/BN異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管的發(fā)光效率可達(dá)到100lm/W以上，能夠滿足室內(nèi)照明和顯示等領(lǐng)域的需求。新型二維半導(dǎo)體材料的物性調(diào)控在光電器件領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值，通過施加外場、化學(xué)摻雜和結(jié)構(gòu)工程等手段，能夠有效提升光電探測器和發(fā)光二極管等器件的性能，為光通信、圖像傳感、照明和顯示等領(lǐng)域的發(fā)展提供了新的技術(shù)支持，推動光電器件技術(shù)向更高性能、更小型化的方向發(fā)展。3.3.3在能源領(lǐng)域的應(yīng)用在能源領(lǐng)域，新型二維半導(dǎo)體材料的物性調(diào)控為能源器件的性能提升和應(yīng)用拓展帶來了新的機(jī)遇，尤其在太陽能電池和鋰離子電池等關(guān)鍵能源器件中，展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。在太陽能電池方面，新型二維半導(dǎo)體材料的獨(dú)特光電性質(zhì)使其成為提高太陽能轉(zhuǎn)換效率的潛在材料。以黑磷（BP）為例，其具有合適的帶隙和較高的載流子遷移率，在太陽能電池應(yīng)用中具有重要的研究價(jià)值。通過對黑磷進(jìn)行物性調(diào)控，可以優(yōu)化其在太陽能電池中的性能。研究人員通過化學(xué)摻雜的方法，對黑磷進(jìn)行硼（B）摻雜，實(shí)現(xiàn)了p型摻雜。p型摻雜的黑磷在太陽能電池中能夠有效地促進(jìn)光生載流子的分離和傳輸，提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于p型摻雜黑磷的太陽能電池，其光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到10%以上，相比未摻雜的黑磷太陽能電池有了顯著提升。在一些研究中，通過精確控制硼摻雜的濃度和分布，p型摻雜黑磷太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)到15%左右，這為提高太陽能電池的性能提供了新的途徑。結(jié)構(gòu)工程也是提升黑磷太陽能電池性能的重要手段。通過制備黑磷與其他材料的異質(zhì)結(jié)太陽能電池，如黑磷與二氧化鈦（TiO_2）組成的異質(zhì)結(jié)，能夠充分發(fā)揮兩種材料的優(yōu)勢，提高太陽能電池的性能。在黑磷/TiO_2異質(zhì)結(jié)太陽能電池中，TiO_2具有良好的光吸收性能和電子傳輸性能，而黑磷具有較高的載流子遷移率和合適的帶隙，兩者形成異質(zhì)結(jié)后，在界面處能夠有效地促進(jìn)光生載流子的分離和傳輸，從而提高太陽能電池的開路電壓和短路電流。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，黑磷/TiO_2異質(zhì)結(jié)太陽能電池的開路電壓可達(dá)到0.8V以上，短路電流可達(dá)到20mA/cm2以上，光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到12%左右，展現(xiàn)出了優(yōu)異的性能，為高效太陽能電池的制備提供了新的思路。在鋰離子電池方面，新型二維半導(dǎo)體材料的物性調(diào)控同樣能夠顯著提升電池的性能。以二硫化鉬（MoS_2）為例，其具有較高的理論比容量，在鋰離子電池電極材料應(yīng)用中具有潛在的優(yōu)勢。通過對MoS_2進(jìn)行結(jié)構(gòu)工程，制備出納米結(jié)構(gòu)的MoS_2電極材料，如MoS_2納米片、納米花等，能夠增加材料的比表面積，提高鋰離子的擴(kuò)散速率和存儲容量。研究表明，MoS_2納米片電極材料的比容量可達(dá)到600mAh/g以上，相比傳統(tǒng)的塊狀MoS_2電極材料有了顯著提高。在一些實(shí)驗(yàn)中，通過優(yōu)化MoS_2納米片的制備工藝和結(jié)構(gòu)，其比容量最高可達(dá)到800mAh/g左右，能夠有效提高鋰離子電池的能量密度和充放電性能。化學(xué)摻雜也是調(diào)控MoS_2鋰離子電池性能的有效方法。通過對MoS_2進(jìn)行鋰（Li）摻雜，能夠改變材料的電子結(jié)構(gòu)，提高鋰離子的嵌入和脫出效率，從而改善電池的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，鋰摻雜的MoS_2電極材料在經(jīng)過100次充放電循環(huán)后，其容量保持率仍可達(dá)到80%以上，相比未摻雜的MoS_2電極材料有了明顯提升。在高倍率充放電條件下，鋰摻雜的MoS_2電極材料也能夠保持較好的性能，能夠滿足快速充電和高功率輸出的需求。新型二維半導(dǎo)體材料的物性調(diào)控在能源領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值，通過化學(xué)摻雜和結(jié)構(gòu)工程等手段，能夠有效提升太陽能電池和鋰離子電池等能源器件的性能，為能源的高效轉(zhuǎn)換和存儲提供了新的材料選擇和技術(shù)途徑，有望推動能源領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步和可持續(xù)發(fā)展。四、新型二維半導(dǎo)體材料的電學(xué)輸運(yùn)4.1電學(xué)輸運(yùn)的基本理論電學(xué)輸運(yùn)是研究材料中電荷載體（如電子、空穴）在外加電場作用下的運(yùn)動行為，這一過程涉及到多個(gè)關(guān)鍵概念和理論，它們對于理解新型二維半導(dǎo)體材料的電學(xué)性質(zhì)至關(guān)重要。載流子遷移率是描述載流子在材料中運(yùn)動難易程度的重要參數(shù)。從微觀角度來看，載流子在材料中并非自由移動，而是會與各種散射中心發(fā)生相互作用，這些散射中心包括聲子（晶格振動的量子化）、雜質(zhì)原子、晶體缺陷等。當(dāng)載流子受到外加電場的作用時(shí)，它會被加速獲得動能，但在運(yùn)動過程中不斷與散射中心碰撞，從而失去部分動能，這種碰撞使得載流子的運(yùn)動軌跡變得曲折。載流子遷移率（\mu）可以通過以下公式與載流子的平均自由時(shí)間（\tau）和有效質(zhì)量（m^*）相關(guān)聯(lián)：\mu=\frac{e\tau}{m^*}，其中e為電子電荷。這意味著，平均自由時(shí)間越長，載流子在兩次散射之間能夠自由運(yùn)動的時(shí)間就越長，遷移率也就越高；而有效質(zhì)量越小，載流子在相同外力作用下獲得的加速度就越大，遷移率也會相應(yīng)提高。在新型二維半導(dǎo)體材料中，由于原子級的厚度和獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)，載流子與散射中心的相互作用方式與傳統(tǒng)三維材料有所不同。在二硫化鉬（MoS_2）中，聲子散射對載流子遷移率的影響較為顯著。理論計(jì)算表明，在室溫下，MoS_2中載流子與光學(xué)聲子的散射限制了其遷移率的進(jìn)一步提高。研究發(fā)現(xiàn)，通過對MoS_2進(jìn)行缺陷工程，減少晶體缺陷的數(shù)量，可以有效降低載流子與缺陷的散射，從而提高載流子遷移率。電導(dǎo)率是衡量材料導(dǎo)電能力的重要物理量，它與載流子遷移率和載流子濃度密切相關(guān)。根據(jù)歐姆定律，電導(dǎo)率（\sigma）可以表示為：\sigma=ne\mu，其中n為載流子濃度。這表明，載流子濃度越高，單位體積內(nèi)參與導(dǎo)電的載流子數(shù)量就越多，電導(dǎo)率也就越高；而載流子遷移率越大，載流子在電場作用下的運(yùn)動速度就越快，電導(dǎo)率也會相應(yīng)增大。在實(shí)際材料中，電導(dǎo)率不僅取決于材料的本征性質(zhì)，還受到外界因素的影響。在溫度變化時(shí)，材料的載流子濃度和遷移率都會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電導(dǎo)率的改變。對于本征半導(dǎo)體，隨著溫度的升高，本征載流子濃度增加，電導(dǎo)率增大；但同時(shí)，溫度升高也會使晶格振動加劇，載流子散射增強(qiáng)，遷移率下降，這兩種因素的綜合作用決定了電導(dǎo)率隨溫度的變化趨勢。在新型二維半導(dǎo)體材料中，通過對材料進(jìn)行化學(xué)摻雜，可以改變載流子濃度，從而調(diào)控電導(dǎo)率。在對MoS_2進(jìn)行氮摻雜后，引入的氮原子作為施主雜質(zhì)，增加了電子濃度，使得MoS_2的電導(dǎo)率顯著提高，實(shí)現(xiàn)了從本征半導(dǎo)體到n型半導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變。霍爾效應(yīng)是電學(xué)輸運(yùn)中的一個(gè)重要現(xiàn)象，它為研究材料的電學(xué)性質(zhì)提供了有力的工具。當(dāng)電流垂直于外磁場通過導(dǎo)體時(shí)，在導(dǎo)體的垂直于磁場和電流方向的兩個(gè)端面之間會出現(xiàn)電勢差，這個(gè)電勢差被稱為霍爾電勢差，這種現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)?；魻栃?yīng)的原理基于洛倫茲力，當(dāng)載流子在磁場中運(yùn)動時(shí)，會受到洛倫茲力的作用，其大小為F=qvB，其中q為載流子電荷，v為載流子速度，B為磁場強(qiáng)度。在半導(dǎo)體材料中，通過測量霍爾電壓（V_H），可以計(jì)算出霍爾系數(shù)（R_H）：R_H=\frac{V_Hd}{IB}，其中d為材料的厚度，I為電流強(qiáng)度，B為磁場強(qiáng)度?；魻栂禂?shù)與載流子濃度和載流子類型密切相關(guān)，對于n型半導(dǎo)體，霍爾系數(shù)為負(fù)；對于p型半導(dǎo)體，霍爾系數(shù)為正。通過測量霍爾系數(shù)，可以確定材料的載流子類型和載流子濃度，進(jìn)而深入了解材料的電學(xué)性質(zhì)。在新型二維半導(dǎo)體材料的研究中，霍爾效應(yīng)被廣泛應(yīng)用于表征材料的電學(xué)性能。在研究黑磷的電學(xué)性質(zhì)時(shí)，通過霍爾效應(yīng)測量發(fā)現(xiàn)黑磷是天然的p型半導(dǎo)體，并且可以通過測量霍爾系數(shù)隨溫度的變化，研究黑磷中載流子濃度和遷移率的溫度依賴性，為其在電子器件中的應(yīng)用提供了重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。這些電學(xué)輸運(yùn)的基本理論和概念，如載流子遷移率、電導(dǎo)率和霍爾效應(yīng)等，為深入理解新型二維半導(dǎo)體材料的電學(xué)性質(zhì)和載流子輸運(yùn)行為提供了基礎(chǔ)。通過對這些理論的研究和應(yīng)用，可以進(jìn)一步探索新型二維半導(dǎo)體材料在電子學(xué)、光電子學(xué)等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用，為開發(fā)高性能的電子器件提供理論支持。4.2影響電學(xué)輸運(yùn)的因素4.2.1材料結(jié)構(gòu)與缺陷材料的晶體結(jié)構(gòu)對電學(xué)輸運(yùn)有著根本性的影響。在新型二維半導(dǎo)體材料中，原子的排列方式和晶格參數(shù)決定了電子的能帶結(jié)構(gòu)和運(yùn)動狀態(tài)。以二硫化鉬（MoS_2）為例，其晶體結(jié)構(gòu)由S-Mo-S三原子層通過范德華力堆疊而成。在這種結(jié)構(gòu)中，電子的運(yùn)動受到晶格周期性勢場的調(diào)制，形成了特定的能帶結(jié)構(gòu)。理論計(jì)算表明，MoS_2的能帶結(jié)構(gòu)與原子間的鍵長和鍵角密切相關(guān)。當(dāng)鍵長或鍵角發(fā)生變化時(shí)，能帶結(jié)構(gòu)會相應(yīng)改變，從而影響載流子的遷移率和電導(dǎo)率。在施加外部應(yīng)力時(shí)，MoS_2的晶格會發(fā)生畸變，導(dǎo)致原子間的鍵長和鍵角改變，進(jìn)而引起能帶結(jié)構(gòu)的變化。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)對單層MoS_2施加約2%的拉伸應(yīng)變時(shí)，其能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化，載流子遷移率也會相應(yīng)改變，這是因?yàn)閼?yīng)變導(dǎo)致了電子有效質(zhì)量和散射機(jī)制的變化。晶格缺陷是影響電學(xué)輸運(yùn)的重要因素之一。點(diǎn)缺陷如空位、間隙原子和雜質(zhì)原子等，會在材料的能帶結(jié)構(gòu)中引入額外的能級，從而改變載流子的散射機(jī)制和輸運(yùn)特性。在MoS_2中，硫空位是一種常見的點(diǎn)缺陷。當(dāng)硫原子缺失形成空位時(shí)，會在MoS_2的能帶結(jié)構(gòu)中引入局域態(tài)，這些局域態(tài)可以作為載流子的散射中心，增加載流子與缺陷的散射概率，從而降低載流子遷移率。研究表明，隨著硫空位濃度的增加，MoS_2的電導(dǎo)率會逐漸降低，這是因?yàn)楦嗟妮d流子被硫空位散射，無法有效地參與導(dǎo)電過程。線缺陷如位錯(cuò)也會對電學(xué)輸運(yùn)產(chǎn)生顯著影響。位錯(cuò)是晶體中的一種線缺陷，它會導(dǎo)致晶格的局部畸變，破壞晶格的周期性勢場。在位錯(cuò)附近，電子的運(yùn)動受到干擾，散射概率增加，從而降低載流子遷移率。在二維材料中，位錯(cuò)還可能影響材料的穩(wěn)定性和可靠性，因?yàn)槲诲e(cuò)周圍的晶格畸變?nèi)菀滓l(fā)其他缺陷的產(chǎn)生，進(jìn)一步影響電學(xué)輸運(yùn)性能。雜質(zhì)原子的引入同樣會對新型二維半導(dǎo)體材料的電學(xué)輸運(yùn)產(chǎn)生重要影響。雜質(zhì)原子可以通過替代晶格中的原子或占據(jù)間隙位置，改變材料的電子結(jié)構(gòu)和電學(xué)性質(zhì)。在MoS_2中，當(dāng)引入氮原子（N）作為雜質(zhì)時(shí)，氮原子可以替代硫原子的位置，由于氮原子的外層電子結(jié)構(gòu)與硫原子不同，會在MoS_2的能帶結(jié)構(gòu)中引入施主能級，使得材料中的電子濃度增加，從而實(shí)現(xiàn)n型摻雜。這種摻雜會改變材料的電導(dǎo)率和載流子遷移率，n型摻雜的MoS_2的電導(dǎo)率會顯著提高，因?yàn)楦嗟碾娮訁⑴c了導(dǎo)電過程。然而，雜質(zhì)原子的引入也可能帶來負(fù)面影響，如引入額外的散射中心，降低載流子遷移率。如果雜質(zhì)原子的濃度過高，可能會導(dǎo)致雜質(zhì)原子之間的相互作用增強(qiáng)，形成雜質(zhì)聚集體，進(jìn)一步影響材料的電學(xué)性能。材料的晶體結(jié)構(gòu)、晶格缺陷和雜質(zhì)原子等因素對新型二維半導(dǎo)體材料的電學(xué)輸運(yùn)有著復(fù)雜而重要的影響。深入研究這些因素，對于理解二維半導(dǎo)體材料的電學(xué)輸運(yùn)機(jī)制，優(yōu)化材料的電學(xué)性能，以及開發(fā)高性能的電子器件具有重要意義。4.2.2界面與接觸材料與電極的界面特性對電學(xué)輸運(yùn)起著關(guān)鍵作用，其界面質(zhì)量直接影響著電子在材料與電極之間的傳輸效率。在新型二維半導(dǎo)體材料中，由于其原子級薄的厚度和獨(dú)特的表面性質(zhì)，界面特性對電學(xué)輸運(yùn)的影響更為顯著。以二硫化鉬（MoS_2）與金屬電極的接觸為例，當(dāng)MoS_2與金屬電極接觸時(shí)，在界面處會形成肖特基勢壘。這是因?yàn)镸oS_2的功函數(shù)與金屬電極的功函數(shù)存在差異，導(dǎo)致電子在界面處的能量分布發(fā)生變化，形成了一個(gè)阻礙電子傳輸?shù)膭輭?。肖特基勢壘的高度和寬度對電子的傳輸效率有著重要影響。如果肖特基勢壘過高，電子需要克服較大的能量才能從MoS_2注入到金屬電極中，這會導(dǎo)致電子傳輸效率降低，器件的性能下降。研究表明，通過對MoS_2進(jìn)行表面修飾或選擇合適的金屬電極，可以有效地調(diào)節(jié)肖特基勢壘的高度和寬度。在MoS_2表面沉積一層薄的金屬氧化物，如二氧化鈦（TiO_2），可以改變MoS_2的表面電子結(jié)構(gòu)，從而降低肖特基勢壘的高度，提高電子的注入效率。接觸電阻是衡量材料與電極接觸性能的重要指標(biāo)，它直接影響著器件的電學(xué)性能。接觸電阻主要由界面電阻和體電阻兩部分組成。界面電阻源于材料與電極之間的接觸界面，包括肖特基勢壘電阻、界面態(tài)電阻等；體電阻則是材料本身和電極內(nèi)部的電阻。在二維半導(dǎo)體材料中，由于其原子級薄的厚度，界面電阻在總接觸電阻中所占的比例相對較大。以黑磷（BP）與金屬電極的接觸為例，實(shí)驗(yàn)測量發(fā)現(xiàn)，其接觸電阻中界面電阻占比較高，這是因?yàn)楹诹椎谋砻嬖优c金屬電極之間的相互作用較弱，形成的接觸界面不夠理想。接觸電阻會影響器件的電流-電壓特性，增加器件的功耗。在基于黑磷的場效應(yīng)晶體管中，較高的接觸電阻會導(dǎo)致器件的導(dǎo)通電阻增大，電流通過時(shí)產(chǎn)生較大的電壓降，從而增加了器件的功耗。為了降低接觸電阻，可以采用多種方法，如優(yōu)化電極材料和制備工藝、引入緩沖層等。通過選擇與黑磷功函數(shù)匹配的金屬電極，并采用合適的沉積工藝，可以改善接觸界面的質(zhì)量，降低接觸電阻。在黑磷與金屬電極之間引入一層石墨烯作為緩沖層，利用石墨烯的高導(dǎo)電性和良好的界面兼容性，可以有效地降低接觸電阻，提高器件的性能。界面與接觸特性對新型二維半導(dǎo)體材料的電學(xué)輸運(yùn)有著重要影響。通過深入研究界面特性和接觸電阻的形成機(jī)制，采取有效的調(diào)控措施，可以優(yōu)化材料與電極的接觸性能，降低接觸電阻，提高電子傳輸效率，從而提升器件的電學(xué)性能，為新型二維半導(dǎo)體材料在電子器件中的應(yīng)用提供有力支持。4.2.3外界環(huán)境因素外界環(huán)境因素對新型二維半導(dǎo)體材料的電學(xué)輸運(yùn)有著顯著影響，其中溫度、濕度和光照是較為關(guān)鍵的因素。溫度是影響電學(xué)輸運(yùn)的重要環(huán)境因素之一。隨著溫度的變化，材料的原子熱振動加劇，電子的熱激發(fā)也會發(fā)生變化，從而對材料的電學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響。在電學(xué)性能方面，溫度升高會導(dǎo)致材料的載流子濃度和遷移率發(fā)生變化。對于本征半導(dǎo)體，溫度升高會使本征載流子濃度增加，電導(dǎo)率增大；而對于摻雜半導(dǎo)體，溫度升高會導(dǎo)致雜質(zhì)電離增強(qiáng)，載流子濃度增加，但同時(shí)也會使晶格振動加劇，載流子散射增強(qiáng)，遷移率下降。在二硫化鉬（MoS_2）中，隨著溫度的升高，其載流子遷移率逐漸下降，這是由于晶格振動加劇，導(dǎo)致載流子與聲子的散射增強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)研究表明，在室溫下，MoS_2的載流子遷移率約為200cm^2/(V·s)，當(dāng)溫度升高到100℃時(shí)，載流子遷移率下降到約150cm^2/(V·s)。在光學(xué)性能方面，溫度變化會影響材料的帶隙和光吸收發(fā)射特性。溫度升高會使材料的帶隙減小，這是因?yàn)樵訜嵴駝訉?dǎo)致晶格常數(shù)發(fā)生變化，從而影響了能帶結(jié)構(gòu)。在一定溫度范圍內(nèi)，二硫化鉬的帶隙隨溫度升高而線性減小，其溫度系數(shù)約為-2.5meV/K，這種帶隙隨溫度的變化會影響材料在光電器件中的性能，如光電探測器的響應(yīng)波長和靈敏度等。濕度作為一種環(huán)境因素，也會對新型二維半導(dǎo)體材料的電學(xué)輸運(yùn)產(chǎn)生影響。濕度過高會導(dǎo)致材料表面吸附水分子，水分子的存在可能會改變材料的表面電子結(jié)構(gòu)，引入額外的散射中心，從而影響載流子的輸運(yùn)。在黑磷（BP）中，由于其對濕度較為敏感，在高濕度環(huán)境下，黑磷表面容易吸附水分子，水分子與黑磷表面的原子發(fā)生相互作用，導(dǎo)致黑磷的表面電子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，載流子遷移率降低。研究表明，在相對濕度為80%的環(huán)境下，黑磷的載流子遷移率相比干燥環(huán)境下下降了約30%。濕度還可能導(dǎo)致材料的氧化和腐蝕，進(jìn)一步影響材料的電學(xué)性能。在高濕度環(huán)境下，黑磷容易被氧化，形成磷的氧化物，這些氧化物會在材料中引入雜質(zhì)能級，影響載流子的傳輸和復(fù)合過程，從而降低材料的電導(dǎo)率和穩(wěn)定性。光照對新型二維半導(dǎo)體材料的電學(xué)輸運(yùn)也有著重要影響。在光照條件下，材料會吸收光子能量，產(chǎn)生電子-空穴對，這些光生載流子會參與導(dǎo)電過程，從而改變材料的電學(xué)性能。在二硫化鉬中，當(dāng)受到光照時(shí)，光子能量被MoS_2吸收，產(chǎn)生電子-空穴對，光生載流子的濃度增加，電導(dǎo)率增大。研究發(fā)現(xiàn)，在光照強(qiáng)度為100mW/cm2的條件下，MoS_2的電導(dǎo)率相比無光照時(shí)增加了約5倍。光照還可能導(dǎo)致材料的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，影響載流子的遷移率和復(fù)合過程。在一些二維半導(dǎo)體材料中，光照會引起材料的光生伏特效應(yīng)，產(chǎn)生光電壓，這一特性在太陽能電池等光電器件中具有重要應(yīng)用。溫度、濕度和光照等外界環(huán)境因素對新型二維半導(dǎo)體材料的電學(xué)輸運(yùn)有著復(fù)雜的影響。深入研究這些因素對電學(xué)輸運(yùn)的影響