专业提高实验对专业培养的意义——以MoSe₂场效应管为例

Improving Experimental Aiming at Undergraduate Training—MoSe₂ FET as an Example

摘要: 实验以专业理论为基础，为培养本科生的创新能力和动手能力，结合当前研究热点，以“新型二维MoSe₂场效应管的制备和性质”为例，说明专业提高实验。实验选题前沿、内容新颖、操作相对简单，适合本科生作为专业提高实验。实验的开展，既可以让学生从参与内容设计和结果分析方面加深本科阶段的学习，也可以学习多种高端科研仪器的使用，激发部分学生对科学研究的兴趣。

Abstract: Based on theory foundation, improving experiments about the preparation and properties study of MoSe₂ FET are opened to order to train their innovation and hands-on ability. Due to its frontier topic, novel content and relatively simple operation, experiments are very suitable for the professional improvement experiment. Experiments that students have been participated in design and result analysis, can promote the in-depth understanding of leaning content and can learn to use high-end scientific instruments. And it can also stimulate some students’ interest in scientific research and want to do this job.

1. 引言

2017年教育部启动“新工科”发展研究工作，强调要聚焦国家发展战略，把握高校人才培养工作的新任务，深化高等工程教育改革，加快新工科建设，促进创新型工科人才的培养。随着“人工智能”、“工业制造4.0”、“中国制造2050”带动新一代信息技术、电力装备、高档数控机床和机器人等新科技迅猛发展，相关新兴电子技术产业和创新型企业对实践能力强、创新能力强、国际竞争力高的复合型“新工科”人才的需求也不断增强。

专业提高实验主要是根据教育部关于加强实践教学环节有关要求，切实提高学生的实践能力，培养学生的创新意识，大力强化实践教学环节，所开设的实践教学课程。专业提高实验以我院教师研究背景为基础，以实训的形式展开。课程容量是每届50人，以选修课的形式进行。主要针对专业基础牢固的三、四年级的学生。从加强专业知识应用、提高专业研究兴趣、促进动手能力和团队协作精神等方面培养创新型“新工科”人才。目前实验主要涉及超常材料对声信号的控制和调节；压电薄膜和压电器件的制备；和二维过渡金属硫族化合物场效应晶体管的制备和性能。随着学院相关领域教师科研方向的调整，专业提高实验的内容也将作出调整。下面以二维过渡金属硫族化合物场效应晶体管的制备和性质研究为例，来说明专业提高实验的实验内容、目的和意义。

2. 二维过渡金属硫族化合物场效应晶体管专业提高实验

2.1. 二维过渡金属硫族化合物场效应晶体管的研究背景

近几年，石墨烯的独特光学吸收特性高度透明，低电阻率等特性逐渐被人们重视并应用到了光电器件上 [1] 。但石墨烯是零带隙的准金属，难以实现高的开关比，因此在场效应器件的应用上受到限制。而二维过渡金属硫族化合物由于带隙的存在 [2] ，使其成为制备场效应晶体管的理想材料，且具有很好的开关比。Kis等 [3] 以高介电材料作为栅极，单层MoS₂作为沟道制备了场效应晶体管，其开关比高达1 × 10⁸。二维单层材料具有直接带隙——价带顶和导带底都在六角晶格布里渊区的K(K′)点处。而直接带隙的半导体材料可以实现高效的光子吸收和发射，使之在光电子领域有着潜在应用。单层二维过渡金属硫族化合物都拥有发光特性，并且二维过渡金属硫族化合物中的激子效应也很明显 [4] 。研究表明，缺陷的出现会导致材料发光性能的降低。但是拥有阴离子空位缺陷的单层MoS₂在低温或者氮气环境下，能获得比原来更强的激子发光峰 [5] 。通常随着温度的升高，非辐射复合的几率增大，一般半导体的发光强度会下降。但在多层MoSe₂中，温度升高反而能使发光增强——源于温度升高增加了层间距，减小了层间耦合，从而导致了间接-直接带隙的转变 [6] 。由于过渡金属硫族化合物的导带底和价带顶附近电子态主要都由d轨道贡献，相似的轨道特征使得电子跃迁几率大，所以过渡金属硫族化合物也拥有很高的光吸收效率——不到1 nm厚的单层MoSe₂对光的吸收能力与50 nm厚的硅相当 [7] ，这对于光伏器件应用而言也是非常有利的。

2.2. 二维过渡金属硫族化合物场效应晶体管的实验内容

2.2.1. 单层或少层过渡金属硫族化合物(TMDs)的制备

微机械剥离法是使用粘性胶带将其粘在TMDs块体材料(商业购买)上然后撕开，不断地重复这一过程即获得少数层甚至单层TMDs纳米材料。通常采用机械剥离法成功制备的单层MoSe₂，厚度约为0.8纳米 [8] 。针对本科实验教学，微机械剥离法获得的过渡金属硫属化物纳米材料的质量是最好的，且该法操作简单、成本较低。操作步骤如下：

1) 剪取一段胶带，取微量TMDs材料置于胶带中间，接着不断的对折胶带，直到胶带不再具有粘性。

2) 剪取一段新胶带，把它覆盖到第一步的胶带表面，将它们抚平，经过一段时间后，缓慢撕开两条粘在一起的胶带。

3) 重复上一步3~4次，确保胶带上的TMDs材料足够薄。

4) 将粘附着TMDs的胶带覆盖在干净的SiO₂/Si衬底上，用合适的力道反复抚平按压一段时间，再缓慢的将胶带从衬底上撕开，将TMDs转移到衬底上。

2.2.2. TMDs场效应晶体管的制备(以MoSe₂为例 [9] )

在SiO₂/Si衬底上通过机械划痕法制备MoSe₂场效应管的步骤：将粘上MoSe₂的衬底置于离子溅射仪的平台上，开启小型离子溅射仪，待参数稳定后正式启动，一段时间后，衬底将被一层金所覆盖(图1(a))。找到合适厚度与大小的MoSe₂样品，在三维操作台上，通过金相显微镜划出一块合适大小的区域作场效应晶体管(图1(a))，经过MoSe₂样品划出一沟道，隔离沟道两侧的金，并作为源极和漏极(图1(b))。步骤如下：

1) 在显微镜下找到衬底上合适大小、合适厚度的材料样品(宽大于25微米(针头宽度)，长不小于20微米，厚度合适)。

2) 选择合适的显微镜放大倍率以获得足够大的视野，通过三维操作台移动针头到合适位置，使针头刚好接触到衬底表面(注意接触面积大小，不能超过样品宽度)。

3) 移动针头，在视野内围绕样品划出沟道形成一个合适大小的口字，使样品在口字的中间。

4) 移动针头，划出的沟道恰好经过样品的中部并且连接口字的两边，将口字一分为二。注意使沟道两侧的样品大小相似。

(a) (b)

Figure 1. (a) Optical measurement size diagram of TMDS transistor, which the channel length of the transistor is 28.5 um and the width is 42.7 um [9] for selected region; (b) is the schematic diagram of FET. The gold layer is connected to drain, source and gate respectively. The gate is connected forward to the silicon base, and the middle silica acts as a capacitance. MoSe₂ is between gold and silica, and the number of electron from MoSe₂ to silicon base can be controlled by the bias voltage of the outer gate of loop

图1. (a) TMDS晶体管的光学测量尺寸图，所选取区域和通过测量得到该晶体管的沟道长度为28.5 um，沟道宽度为42.7 um [9] ；(b) 场效应晶体管示意图。金层分别接漏极，源极和栅极负向。栅极正向接硅底，中间二氧化硅起着绝缘充当电容的作用。硒化钼材料在金层和二氧化硅之间。通过回路外栅极偏压，控制了从硒化钼材料至硅底的电子的数量

2.2.3. TMDs场效应晶体管的相关性能研究

1) 场效应晶体管的转移曲线和输出曲线的研究

场效应开关比I_on/I_off定义为器件在“开”态和“关”态时的源漏电流的比值。通过转移曲线(如图2(a)所示)，该器件的关态电流I_off为0.14 × 10⁻⁵ A，开态电流I_on为3.78 × 10⁻⁵ A，因此开关比为：

$I_{on}/I_{off}=\frac{I_{on}}{I_{off}}=\frac{3.78\times {10}^{-5}}{0.14\times {10}^{-5}}=23.62,$

场效应迁移率是指在单位电场下，电荷载流子的平均漂移迁移率，可以根据以下公式计算得到：

$\mu =\frac{\partial I_{sd}}{\partial V_g}\left(\frac{L}{W{C}_i{V}_{sd}}\right),$ (1)

其中，I_sd为源漏电流，V_g为栅压，V_sd为源漏偏压，L = L2为沟道长度，由于有一部分样品损坏，需要减去图中断隔约10 μm故W = L1 − 10 μm为沟道宽度，C_i为沟道与底部S_i之间每单位面积的栅电容率，可以通过公式： $C_i={\epsilon }_0{\epsilon }_{r}S/d$ 得到， ${\epsilon }_0$ 是真空介电常数， ${\epsilon }_r$ 是绝缘层SiO₂的介电常数，d为SiO₂厚底(约300 nm)， $S=\partial V_g/\partial \left(\lg I_{sd}\right)$ 。图2是MoSe₂晶体管的转移和输出曲线。可以看到，随着栅压的增加，源漏电流增大，表明MoSe₂为N型半导体，在未加栅压下(V_g = 0 V)，源漏电流很大，晶体管为开启状态，表明零栅压下MoSe₂中的N型沟道已存在。综上分析，单晶MoSe₂场效应晶体管为N-型沟耗尽型晶体管 [9] 。

Figure 2. (a) Transfer curve of MoSe₂ FET; and (b) Output curve of MoSe₂ FET

图2 MoSe₂场效应晶体管的(a) 转移曲线；(b) 输出曲线

以源漏偏压V_sd = 1 V，沟道长度L = L2 = 28.5 um，沟道宽度W = L1 − 10 um，真空介电常数，SiO₂的相对介电常数 ${\epsilon }_r=3.9$，厚度d = 300 nm。通过计算转移曲线的最大斜率，得到： $\partial I_{sd}/\partial V_g=4.25\times {10}^{-7}\text{A}/\text{V}$，把以上所有数值带入到迁移率计算公式(1)中，得到迁移率 $\mu =32.2{\text{cm}}^2/\text{Vs}$ 。

2) 场效应晶体管的气敏性研究

单层或少层MoS₂已被证明可以作为NO、NO₂、NH₃和三乙胺气体的敏感探测材料。探测机理是由于吸附的气体分子导致MoS₂形成N型或P型转变，从而改变MoS₂的载流子浓度，从而使气体分子的扰动转变成电信号的扰动。研究显示 [10] ，当MoSe₂与不同气体接触时，物理吸附和在其表面的气体分子之间会发生电荷转移，从而导致其电导率的改变，用电学信号的形式输出就实现了对气体种类或浓度的探测。密度泛函理论计算解释 [11] ，O₂和水分子与TMDs表面有着比较弱的相互作用，它们之间的束缚能在70~140 meV，并且大量的电子能够从半导体中转移到吸附在其表面的气体分子中。并且吸附在MoSe₂表面的O₂和水分子，会消耗MoSe₂中的电子，从而降低MoSe₂的电导率，使电流下降。光照后，MoSe₂中会产生大量的电子空穴对，使其能够吸附更多的气体分子，将会有更多的光电子被消耗，从而导致光敏度降低。

通过观察丙酮、乙醇、氨气等不同气体氛围下的I~V曲线和电流-时间曲线，能发现多层MoSe₂对不同的气体分子产生响应。研究显示，器件中的源漏电流在空气和乙醇中缓慢增加，在氨气中急速增加，而在丙酮中却明显减少。通常用公式来定义气体敏感度：

$S=\frac{\left|\left(I_{gas}-I_{vacuum}\right)\right|}{I_{vacuum}},S^{\ast }=\frac{\left|\left(I_{gas}-I^{\ast }\right)\right|}{I^{\ast }}$ (2)

其中， $I_{gas}$ 为在气体中的电流， $I_{vacuum}$ 为在真空中的电流， $I^{\ast }$ 为在空气中的电流。同样，定义时延 $\tau$ 为开关态间上升沿下10%至上90%，下降沿上90%至下10%的时间差。

图3为MoSe₂对丙酮和氨气的气敏特性测试 [9] 。可以看出MoSe₂在空气中电流持续增加，喷洒丙酮后源漏电流瞬间减少，然后又迅速恢复增长。所以丙酮的气体敏感度比空气的值高，这是由丙酮中的氧分子浓度更高，会消耗更多的电子，从而使电流改变更明显。相反，NH₃分子可以作为电子给体给予MoSe₂自身电子，从而增加其电导率。NH₃气体使MoSe₂的漏源电流迅速增加，然后又急速下降至原先水平。因此，在NH₃分子中，MoSe₂气体敏感度更高，敏感度可达到了45%以上。电流改变量在一定程度上能反应MoSe₂吸附气体的数量。从测试结果显示，所有的气体分子，不管氧化性气体(丙酮)还是还原性气体(NH₃)，都在气体消散后回复器件原有的电学性能。

Figure 3. Gas sensitivity of MoSe₂ under acetone and ammonia atmosphere

图3. 在丙酮和氨气氛围下MoSe₂的气敏性

3) 场效应晶体管的光学性质研究

光探测器是一种能够将外界光刺激转变成电信号对光敏感的光电器件，它在化学生物传感检查、信息等领域都有着重要的应用。工作原理：当入射光的能量超过光探测器中有源区半导体材料的禁带宽度时，在探测器的有源区中产生电子空穴对，在外加反向偏压作用下，电子向漏极漂移，空穴向源极漂移。电子从负电极进入和空穴复合，电子离幵材料进入正电极，外回路中产生光电流。光电流随着入射光功率变化而变化，实现光信号被吸收然后转化成电信号的物理过程。光探测器的响应特性表征了它对高速变化的信号光功率的响应能力。响应速度越快，其处理比特流的速率越高，其性能也越好。响应速度通常用响应时间来描述，包括上升时间和下降时间，上升时间的定义为输出电信号从峰值的10%上升到90%所用的时间，下降时间的定义为输出电信号从峰值的90%下降到10%所用的时间。影响光探测器响应时间的主要因素有三个：载流子在材料沟道的渡跃时间，沟道外载流子扩散产生的时间延迟和时间常数。图4是光电流探测I-t曲线 [9] 。结果显示，薄层MoSe₂材料对绿光最为敏感，产生最强的外量子效率和光开关比。对蓝光的感应则较弱。而MoSe₂对红光则有最快的响应速度。

2.3. 场效应晶体管专业提高实验的专业培养目标

在实验过程中，学生也能够了解相关研究领域的前沿、现状以及迫切需要解决的问题。通过场效应晶体管专业提高实验，能学习场效应晶体管的制备；掌握场效应晶体管的工作原理；熟悉机械剥离法制备二维材料以及机械划痕法制备场效应晶体管的过程；了解小型离子溅射台、SM-4探针台、2614B，KEITHLEY双通道数字源表，以及金相显微镜的工作原理。从专业提高实验，希望对以后工作的动手能力，或者读研时的科学研究能力都能提供重要的培养。

Figure 4. Green, blue and red photocurrent detective I-t curve

图4. 绿、蓝、红光电流探测I-t曲线

3. 结语

专业提高实验的开展，既可以让学生从参与内容设计和结果分析方面加深本科阶段的学习，也可以了解多种高端科研仪器的使用，更可以激发部分学生对科学研究的兴趣，培养学生的动手能力和创新意识。从实验开展的过程和结果可以看出，学生对机械剥离法制备二维材料，显微镜下准备器件以及对器件气敏性和光敏性的研究，都大大促进了对光电子领域的认识和发展方向的把握。因此，专业提高实验的开设对专业培养是非常重要的。