Разработка методов контроля зонной структуры и оптических свойств двумерных полупроводниковых материалов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.01, кандидат наук Авдижиян Артур Юрьевич

• Авдижиян Артур Юрьевич
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Авдижиян Артур Юрьевич

1.4 Твердые растворы ДПМ

1.5 Мультислойные гетероструктуры на основе двумерных ДПМ

1.6 Плазмонные структуры в устройствах на основе монослойных ДПМ

1.7 Выводы по главе

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ ДВУМЕРНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУР

2.1 Метод функционала плотности

2.3 Атомно-силовая микроскопия

2.4 Фотолюминесцентная спектроскопия-микроскопия

2.5 Энерго-дисперсионная спектроскопия

2.6 Фототоковая спектроскопия

2.7 Методика полимерного оттиска

2.8 Спектроскопия временного разрешения

ГЛАВА 3. ТВЕРДЫЕ РАСТВОРЫ ДИХАЛЬКОГЕНИДОВ ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ

3.1 Численный расчет зонной структуры твердых растворов ДПМ

3.2 Создание и анализ химического состава объемных образцов ДПМ

3.3 Создание двумерных кристаллитов твердых растворов ДПМ

3.4 Измерение толщины кристаллитов твердых растворов ДПМ

3.5 Исследование фотолюминесцентных спектров монослойных твердых растворов ДПМ

3.6 Экспериментальные фотодетекторы на основе твердых растворов ДПМ3.6.1 Создание экспериментальных образцов фотодетекторов на основе твердых растворов ДПМ

3.6.2. Измерение вольт-амперных характеристик фотодетекторов на основе твердых растворов двумерных ДПМ

3.6.3. Исследование зависимости величины фототока от мощности падающего излучения

3.6.4 Исследование зависимости генерации фототока от длины волны падающего излучения

3.6.5. Моделирование оптических свойств четырехфазных твердых растворов ДПМ

3.6.7. Сравнение экспериментальных данных с расчетными

3.7 Выводы по главе

ГЛАВА 4. БИСЛОЙНЫЕ ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ НА ОСНОВЕ ДВУМЕРНЫХ ДИХАЛЬКОГЕНИДОВ ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ

4.1 Создание образцов бислойных гетероструктур ДПМ

4.2 Исследование фотолюминесцентных спектров монослойных кристаллитов и бислойных гетероструктур дихалькогенидов переходных металлов

4.3 Оценка времени процессов возбуждения и релаксации гетероструктур ДПМ

4.4 Численный расчет зонной структуры бислойных гетероструктур двумерных ДПМ

4.5 Выводы по главе

ГЛАВА 5. ПЛАЗМОННЫЕ СТРУКТУРЫ НА ПЛЕНКАХ ДИХАЛЬКОГЕНИДОВ ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ

5.1 Расчет влияния геометрических свойств плазмонных структур на спектр оптического поглощения двумерных пленок ДПМ

5.2 Создание фотодетекторов на основе двумерных пленок ДПМ с плазмонными структурами

5.3 Комплексная характеризация оптических и электрических свойств фотодетекторов

5.3.1. Построение вольт-амперных характеристик фотодетектров на основе двумерных ДПМ с периодическими плазмонными структурами

5.3.2. Исследование влияния длины волны падающего излучения на генерацию фототока

5.4 Выводы по главе

Заключение

Список публикаций с основными результатами диссертации

Список литературы

ВВЕДЕНИЕ

Диссертационная работа посвящена разработке физических основ контроля фотофизических свойств двумерных полупроводниковых дихалькогенидов переходных металлов и созданию эффективных устройств наноэлектроники на их основе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методов контроля зонной структуры и оптических свойств двумерных полупроводниковых материалов»

Актуальность

Современное развитие устройств электроники и оптоэлектроники связано с применением новых сверхтонких энергоэффективных материалов. Внедрение таких материалов в компоненты электронных устройств позволяет решать задачи по увеличению чувствительности, стабильности и быстродействия, а также уменьшению размеров и созданию гибких устройств электроники и оптоэлектроники.

В 2010 году были открыты атомно тонкие дихалькогениды переходных металлов, являющиеся слоистыми кристаллами с химическим составом МХ2, где М - переходной металл (Мо, W), а X - халькоген Se, Те). В двумерной форме эти кристаллы являются прямозонными полупроводниками с шириной запрещенной зоны 1-2 эВ [1], что делает их использование в оптоэлектронике крайне эффективным.

Существует большое количество работ, посвященных созданию устройств электроники и оптоэлектроники на основе двумерных ДПМ, таких как полевые транзисторы [2], фотодетекторы [3], фотовольтаические элементы [4]. Структура материалов позволяет модифицировать их базовые свойства, что может быть использовано при создании устройств со строго заданными параметрами, как например центральная длина волны поглощения фотодетекторов или коэффициент усиления полевых транзисторов. Для этих целей был предложен ряд методов, наиболее перспективными из которых являются: создание твердых растворов ДПМ (MOxW1-xSe2yS2-2y) [5], создание

многослойных гетероструктур нескольких дихалькогенидов переходных металлов [6] и использование плазмонных элементов на поверхности полупроводника.

Первым методом является изменение химического состава двумерного полупроводника с целью смещения пиков оптического поглощения, а также частичного варьирования формы спектра поглощения. С использованием этого метода на основе трехкомпонентных двумерных ДПМ были созданы образцы устройств фотодетекторов [7] и полевых транзисторов [8]. Однако разработка приборов на таких материалах требует не только детальных исследований их оптических и электрических свойств, но и физических моделей, с помощью которых можно было бы рассчитывать предполагаемые физические параметры и, как следствие, технические параметры устройств, основанных на них.

Второй метод заключается в создании бислойных структур из монослойных ДПМ. Оптические свойства подобных гетероструктур существенно зависят от экситонных эффектов. Кроме того, в таких структурах, помимо экситонных состояний, характерных для монослоев ДПМ, возникают новые. Было показано, что двухслойные двумерные полупроводники без дополнительного барьерного слоя обладают естественными межслойными экситонными состояниями, являющиеся еще более долгоживущими [9].

Следующим методом является использование плазмонных структур. Существует ряд работ [10,11], в которых используются квантовые точки для внесения плазмонных эффектов, влияющих на эффективность работы создаваемых фоточувствительных устройств.

Таким образом, разработка новых подходов к изменению свойств двумерных материалов является актуальной задачей для дальнейшего

развития нового поколения устройств электроники и оптоэлектроники, основанных на новых двумерных материалах.

Цель работы - разработка физических основ управления фотофизическими свойствами двумерных ДПМ путем изменения их состава и структуры и создание эффективных устройств электроники и оптоэлектроники на их основе.

Согласно поставленной цели, были сформулированы следующие задачи:

1. Разработка расчетной модели для оценки спектров оптического поглощения твердых растворов ДПМ в зависимости от соотношения концентрации элементов.

2. Создание фотодетектирующих устройств на основе четырехкомпонентных дихалькогенидов переходных металлов MoxW1-xSe2yS2-2у с составами х=0,2; у=0,5 и х=0,2; у=0,7 и исследование их оптических и электрических параметров.

3. Разработка методики создания гетероструктур на основе двумерных ДПМ, включающей в себя получение монослойных образцов из объемных кристаллов с последующим нанесением второго монослоя на первый.

4. Исследование оптических свойств созданных образцов двумерных MoS2 и WS2 гетероструктур на основе MoS2/WS2.

5. Разработка расчетной модели для оценки влияния геометрии плазмонных структур на оптические свойства ДПМ.

6. Создание серии фотодетектирующих устройств на основе двумерной пленки WSe2 с периодической плазмонной структурой на поверхности пленки.

7. Комплексное исследование оптических и электрических свойств созданных фотодетекторов на основе двумерных ДПМ с периодической плазмонной структурой.

Методы исследования, достоверность и обоснованность

При исследовании излучательных свойств двумерных дихалькогенидов переходных металлов применялась методика фотолюминесцентной спектроскопии-микроскопии. Для оценки стехиометрических составов объемных твердых растворов ДПМ, из которых изготавливались монослойные кристаллиты, использовалась методика энерго-дисперсионной рентгеновской спектроскопии. Монослойные кристаллиты из объемных ДПМ были получены методом микромеханической эксфолиации. В качестве продолжительных тонких пленок использовались коммерчески доступные образцы. Локализация двумерных кристаллитов на кремниевой подложке проводилась методом конфокальной оптической микроскопии. После локализации кристаллитов, была проведена оценка их толщины с помощью атомно-силовой микроскопии.

Для исследования вольт-амперных характеристик был использован двухзондовый метод, этот же стенд был модернизирован до измерительной установки фототоковой спектроскопии, с помощью которой, проводились измерения спектров фототока. Расчет зонных структур всех описываемых моно- и бислойных структур ДПМ проводился с помощью метода функционала плотности в базисе плоских волн.

Для создания мультислойных гетероструктур на основе двумерных дихалькогенидов переходных металлов использовалась методика сухого полимерного оттиска.

Обоснованность и достоверность результатов обеспечивается: комплексной характеризацией образцов с использованием современных методик экспериментальных исследований, многократной

воспроизводимостью экспериментальных данных. Экспериментальные результаты были получены на современном высокоточном оборудовании и согласуются с теоретическими данными, которые были получены как российскими, так и зарубежными научными группами. Результаты исследований, проведенных в рамках данной работы, были представлены на российских и международных конференциях и опубликованы в российских и международных рецензируемых научных изданиях, включая входящие в базы Scopus и Web of Science.

Апробация работы

Результаты работы прошли апробацию на следующих международных конференциях: Международная научно-техническая конференция «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» (INTERMATIC), 2017, Россия; Международная конференция по физике материалов и физике конденсированного состояния (MSCMP), 2018, Молдова; Конференция-конкурс молодых физиков, 2018 Россия; VII Международная конференция по фотонике и информационной оптике, 2018, Россия; 8-я международная конференция: наноструктуры, наноматериалы и наноинженерия (ICNNN 2019), 2019, Япония; Международный конгресс по графену, 2D материалам и приложениям (2D Materials 2019), 2019, Россия; VIII Международная конференция по фотонике и информационной оптике, 2019, Россия.

Научная новизна

1. Впервые методом функционала плотности (ФП) были рассчитаны зонные структуры и значения ширины запрещенной зоны четырехкомпонентных твердых растворов ДПМ MOxW1-xSe2yS2(1-y) с составами М0.^0.88е0.6814 и M0.2W0.8SeS.

2. Разработана расчетная модель зависимости коэффициента поглощения для двумерных твердых растворов ДПМ с формулой Мо^ь^е^^ь^ от х и у.

3. С помощью метода функционала плотности рассчитана зонная структура и ширина запрещенной зоны для бислойной гетероструктуры MoS2/WS2.

4. Показана корреляция между рассчитанными коэффициентами поглощения и измеренными спектрами фототока.

5. Впервые получены экспериментальные спектры фотолюминесценции и характерные времена термализации и рекомбинации электронной подсистемы гетероструктур MoS2/WS2.

6. Созданы фотодетектирующие устройства на основе ранее не исследованных четырехкомпонентных твердых растворов ДПМ со стехиометрическими составами Mo,2Wo,8SeS и Mo,2Wo,8Seo,6Sl,4.

7. Разработана уникальная расчетная модель электрооптических характеристик для монослойных пленок ДПМ с периодической плазмонной структурой на его поверхности.

8. Разработаны новые фотодетектирующие устройства на основе монослойной полупроводниковой пленки с периодической плазмонной структурой.

Практическая значимость

Практическая значимость данной работы состоит в развитии концепций изменения оптических и электрических свойств двумерных материалов, а также соответствующих экспериментальных методик. Полученные

результаты расширяют класс двумерных полупроводниковых структур, применяемых в новых устройствах оптоэлектроники. Разработаны физические принципы создания и изготовлены экспериментальные образцы фотодетекторов на основе твердых растворов двумерных дихалькогенидов переходных металлов и на основе монослойной пленки WSe2 с периодической плазмонной структурой, которые могут послужить прототипами при их дальнейшем продвижении.

Внедрение результатов и рекомендации по их использованию

Результаты работы использовались при выполнении проектов Министерства науки и высшего образования РФ «Сверхбыстрые процессы в оптоэлектронных и фотонных материалах», Российского фонда фундаментальных исследований «Особенности трионных и экситонных состояний в монослоях твердых растворов двумерных дихалькогенидов переходных металлов» (2018-2020), Российского научного фонда «Влияние эффектов плазмонного оптического усиления на характеристики устройств опто- и наноэлектроники на основе двумерных графеноподобных полупроводниковых структур» (2019-2022).

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Рассчитанные методом функционала плотности значения ширины запрещенной зоны составляют для монослоев твердых растворов: Moo;2Wo;8SeS - 1,982±0,001 эВ, Moo,2Wo,8Sel,4So,6 - 1,894±0,001 эВ в К точке зоны Бриллюена. Расчетная ширина запрещенной зоны для бислоя MoS2/WS2 составляет 2,102±0,001 эВ с переходом электрона в точке К зоны.

2. В рамках разработанной модели, основанной на расчете значений диэлектрической функции монослоя ДПМ, максимумы спектров оптического

поглощения наблюдаются в монослоях Moo,2Wo,8SeS на длинах волн 560 нм и 686 нм и в монослоях Moo 2W0 8Sei 4S0 6 — 586 нм и 718 нм.

3. Созданные образцы фотодетекторов на основе двумерных Moo,2Wo,8Sei,4So,6 обладают максимальной фоточувствительностью 272±6 мкА/Вт и 248±6 мкА/Вт для фотодетекторов на монослойных Moo,2Wo,8SeS. Экспериментальные значения длин волн максимумов спектров фототока монослойных Moo,2Wo,8SeS и Moo,2Wo,8Sei,4So,6 составляют 586±2 нм и 718±2 нм, то есть совпадают с расчетными максимумами спектров поглощения в пределах погрешности.

4. Фотолюминесцентные спектры бислойных гетероструктур MoS2/WS2 обладают двумя максимумами, характерными для А-экситонных состояний монослойных MoS2 и WS2 на длинах волн 665±2 и 620±2 нм. Положительно заряженный трион проявляется на фотолюминесцентном спектре на длине волны 592±2 нм. Времена термализации электронной подсистемы бислоя MoS2/WS2 составляют 10,8 пс при температуре 80 К и 17,4 пс при температуре 280 К. Времена рекомбинации составляют 244 пс при температуре 80 К и 228 при 280 К.

5. Созданные фотодетекторы на основе двумерной пленки WSe2 с плазмонными структурами обладают пиковой фоточувствительностью 1,41±0,05 А/Вт для плазмонов с нанодисками с периодом 300 нм, 0,56±0,03 А/Вт - 200 нм и 0,41±0,02 А/Вт - 500 нм при облучении длиной волны 506 нм. Наблюдается увеличение фоточувствительности плазмонных фотодетекторов по сравнению с обыкновенными в 3 раза за счет увеличения эффективности поглощения двумерной пленки WSe2 со значения 0,31±0,02 А/Вт до 0,91±0,04 А/Вт при облучении непрерывным лазером с длиной волны 632 нм с использованием нанодисков с периодом 300 нм.

Личный вклад автора состоит в получении монослойных кристаллитов ДПМ, разработке методики для создания бислойных гетероструктур, создании

стенда для полимерного оттиска, создании и автоматизации стенда для измерения фототоковых и вольт-амперных характеристик двухзондовым методом, получении результатов измерений вольт-амперных характеристик, фотолюминесцентных спектров, спектров фототока. Автором были проведены расчеты зонных структур и разработана модель для расчета спектров оптического поглощения исследуемых материалов.

Публикации

Результаты диссертационной работы опубликованы в 4 статьях в международных научных журналах, входящих в рекомендованный список ВАК Министерства высшего образования и науки РФ и в базы данных Scopus и WoS. Также результаты работы изложены в материалах 2 международных научных конференций.

Структура работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованных источников, включающего 143 наименования. Объем диссертации составляет 170 страниц текста, включая 92 иллюстрации и 6 таблиц.

ГЛАВА 1. ДВУМЕРНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

1.1 Двумерные материалы для микро- и наноэлектроники

Современное развитие устройств электроники и оптоэлектроники связано с применением новых материалов, обладающих уникальными свойствами. Их внедрение позволяет решать задачи по увеличению чувствительности, стабильности и быстродействия, а также уменьшению размеров и созданию гибких приборов электроники. Обеспечение улучшения характерных параметров детектирования, передачи, генерации и обработки оптических сигналов является главной целью исследования новых двумерных веществ [12].

Наиболее изученным двумерным веществом является графен, открытый в 2004 году [13]. Данная работа задала вектор развития для нового направления исследований в области низкоразмерных материалов, в частности, двумерных полупроводников на основе слоистых кристаллов. Было выявлено, что сверхтонкие слоистые кристаллы обладают свойствами, отличными от своей объёмной формы, и эти свойства могут быть эффективно использованы при создании приборов опто- и нано-электроники.

На рисунке 1 показан ряд материалов, которые в состоянии счетного

числа слоев (сверхтонких кристаллов), обладают различными типами зонной

структуры. Слева показан диэлектрик - гексагональный нитрид бора ^^К), в

паре с графеном этот материал используется для создания полупроводниковой

структуры путем переноса одного слоя дна дугой [14,15]. Далее следуют

двумерные полупроводники: дихалькогениды переходных металлов (ДПМ) и

черный фосфор. После, следуют полуметаллические ферромагнетики, в числе

которых диоксид хрома (002) и дисульфид хрома (О^), с шириной

запрещенной зоны от 0 до 1 эВ. Между металлами и полуметаллическими

ферромагнетикаи находятся полуметаллы, такие как графен, обладающие

14

нулевой запрещенной зоной. Последними в изображенной схеме находятся металлы и сверхпроводники. Сверхпроводимостью обладает двумерный диселенид ниобия (NbSe2) [16,17]].

Рисунок 1. Типы двумерных материалов [18]

Все эти кристаллы являются слоистыми, что позволяет получать экспериментальные образцы монослойных кристаллитов с помощью методики микромеханической и жидкостной эксфолиации [19-21].

1.2 Двумерные дихалькогениды переходных металлов

Двумерные ДПМ имеют слоистую кристаллическую структуру с химическим составом МХ2, где М - переходной металл (Мо, W), а X -халькоген Se, Те). Монослойные ДПМ обладают запрещенной зоной, ширина которой составляет 1-2 эВ [1]. Эти полупроводники являются прямозонными, что делает их использование в оптоэлектронике крайне

эффективным. На рисунке 2 изображена модель кристаллической структуры монослойного образца ДПМ.

Рисунок 2. Кристаллическая структура атомного слоя ДПМ

Все ДПМ имеют гексагональную кристаллическую решетку с симметрией D6h в объемной форме, Dзd - в двумерной с четным количеством слоев и D6h с нечетным количеством слоев [22]. Наиболее изученными являются MoS2, WS2, MoSe2, WSe2.

Ключевой особенностью дихалькогенидов переходных металлов является зависимость зонной структуры от толщины образца. При уменьшении толщины кристаллита до нескольких монослоев происходит рост ширины запрещенной зоны, кроме того, при достижении одного атомного слоя, запрещенная зона становится прямой [23,24]. На рисунке 3 изображен результат расчета зонной структуры кристаллитов дисульфида молибдена различной толщины.

4монослоя Змонослоя 2монослоя 1монослой

гмк ггмк ггмк ггмк г

Рисунок 3. Зонные структуры ДПМ с разным количеством слоев [25]

В 2010 году исследователи получили фотолюминесцентный сигнал от монослоев дисульфида молибдена (Мо82) [26]. Однако при возбуждении оптическим излучением объёмных образцов сигнал фотолюминесценции падает более чем на 4 порядка по сравнению с двумерными кристаллитами. Такая высокая эффективность люминесцентного излучения монослоя по сравнению с объемными образцами говорит о прямом переходе электронов из валентной зоны в зону проводимости [23], что позднее было обнаружено в WS2, WSe2 и МоБе2 [27-29]. На рисунке 4 представлены результаты измерения фотолюминесцентных спектров МХ2 для кристаллитов разной толщины.

(а) ^

V

5|1Ш

Рисунок 4. Изображение кристаллита Mol-xWxS2-2ySe2y, полученное с помощью фотолюминесцентной микроскопии (длина волны 700 нм), (Ь) спектры люминесценции, полученные в различных сегментах образца (толщины сегментов: A - 1 нм, B - 10нм, C - 15нм) [5]

За счет таких свойств, как низкая размерность, гибкость, прямая запрещенная зона, малая толщина, ДПМ является крайне перспективным классом сверхтонких полупроводниковых материалов для новых устройств наноэлектроники и оптоэлектроники.

Изменение зонной структуры при изменении толщины образца дает возможность модификации оптических и электрических параметров с помощью изменения количества слоев кристаллита, что непосредственно влияет на значения таких параметров как проводимость, времена релаксации электронов, подвижность носителей заряда [30]. На рисунке 5 показаны значения ширины запрещенной зоны для различных монослойных дихалькогенидов переходных металлов рассчитанные разными методами.

Черным цветом и сплошными линиями обозначены значения, полученные с помощью метода ФП с функционалом Perdew — Burke — Ernzerhof [31], синими пунктирными линиями - гибридным функционалом Heyd-Scuseria-Ernzerhof [32]. Красными пунктирными линиями показаны восстановительный потенциал водорода (сверху) и окислительный потенциал водорода (снизу).

Рисунок 5. Уровни валентной зоны и зоны проводимости для ДПМ VI

группы [33]

Все размерные эффекты в слоистых кристаллах проявляются при небольшой толщине слоев - до 5 слоев, после чего образцы рассматриваются как объёмные.

1.3 Дихалькогениды переходных металлов в устройствах микро- и наноэлектроники

Одним из наиболее простых по структуре устройств является полевой транзистор на основе двумерных ДПМ. Такие транзисторы изготавливают как из эксфолиированных монослойных микрокристаллитов, так и из пленок, полученных методом осаждения из газовой фазы. В первом случае необходима координатная привязка монослойных микрокристаллитов, которые обнаруживаются в оптическом микроскопе. После идентификации монослоя на подложке на него наносятся электроды для контактов стока, истока и затвора. Затвор располагается либо поверх монослоя, либо на нижней поверхности подложки [34,35]. На рисунке 6 изображен один из вариантов конструкции полевого транзистора на основе двумерного дисульфида молибдена MoS2 с верхним затвором [35].

Рисунок 6. Схема полевого транзистора на основе монослойного MoS2

Р(70Р-ТгРЕ-СРЕ)

Тор дз{е

МоЭ2

c верхним затвором [35]

Существует ряд работ по созданию транзисторов с применением

диселенида вольфрама (WSe2) [36,37] и диселенида молибдена (MoSe2) [38].

Показано, что подвижность носителей заряда для данных устройств не

см2

превышает 300 - что. Проводились работы по созданию полевых

Вхс

транзисторов на основе монослойных кристаллитов дисульфида вольфрама (WS2), однако они не увенчались успехом из-за высокого контактного сопротивления между полупроводником и электродом [39].

Поскольку низкая подвижность в целом является проблемой для использования ДПМ, разрабатываются различные способы ее увеличения. Успех достигнут при добавлении в схему полевого транзистора сегнетоэлектрических материалов [40], нанесении на поверхность монослоя металлических наночастиц [41], отжиге при высокой температуре [42], использовании графеновых прослоек [43].

Ведутся работы по созданию логических элементов на основе полевых транзисторов на монослойных ДПМ. На рисунке 7 изображен элементарный инвертор (элемент НЕ) на основе двумерного MoS2 и черного фосфора (ЧФ), также являющегося прямозонным полупроводником.

Рисунок 7. Схема элементарного инвертора на основе атомно-тонких

черного фосфора и MoS2 [44]

Для создания полноценной логической цепи любой сложности в двоичной логике необходимо выполнение двух функций: НЕ и И/ИЛИ, что подводит нас к необходимости создания элемента ИЛИ или И. В 2016 году был успешно создан элемент И на основе двумерного кристаллита MoS2 [45]. На рисунке 8 показаны оптическое и электронное изображения монослойной пленки дисульфида молибдена, полученной методом химического осаждения из газовой фазы, и нанесенных на ее поверхность методом фотолитографии электродов.

Двумерные ДПМ используются для создания сенсоров газов. За счет адгезии частиц газа на поверхности монослойной пленки ДПМ происходит изменение ее поверхностного сопротивления, что позволяет использовать ее в качестве детекторов молекул водяного пара или других газов [46,47]. Существует ряд работ, посвященных разработке гибких детекторов влажности на основе двумерных ДПМ, обладающих высокой чувствительностью и низким энергопотреблением [47-49]. На рисунке 9 изображены этапы создания детектора влажности на основе двумерного дисульфида вольфрама на гибкой пленке из полиметилметакрилата (ПММА).

Рисунок 9. Схема процесса создания детектора влажности WS2 [47]

23

На рисунке 10 показано схематическое изображение датчика ядовитого газа диоксида азота (N02) на основе двумерного дисульфида вольфрама с нанесенными на поверхность серебряными нанотрубками.

Рисунок 10. Схема датчика N02 на основе WS2 с серебряными

нанотрубками [49]

Двумерные ДПМ используются в элементарных ячейках логических цепей, которые входят в состав процессоров, микроконтроллеров и программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). Недостатками этих материалов для являются низкая подвижность носителей заряда и высокие контактные сопротивления с электродами. При использовании эксфолиированных микрокристаллитов недостатком является неравномерность размеров и хаотичность расположения, при использовании СУО пленок - высокая стоимость и сложность процесса производства однородных пленок большой площади.

Для использования монослойных ДПМ в полевых транзисторах и участках логических цепей важнейшей характеристикой является

подвижность носителей заряда. Так как значение подвижности для двумерных

см2

ДПМ не превышает сотни

Вхс

активно разрабатываются методы её

увеличения. Практикуется использование графеновых нанолистов в качестве прослойки между металлическими электродами и двумерным полупроводником [50], напыление наночастиц на поверхность полупроводника для увеличения подвижности носителей заряда [51,52].

Двумерные ДПМ могут быть использованы в качестве светопоглощающих материалов в фотовольтаических устройствах благодаря высокому коэффициенту поглощения в видимой части оптического спектра [53]. По теоретическим расчетам, двумерный кристаллит ДПМ может поглотить до 10% падающего солнечного излучения, что превышает долю поглощенного света у кремния и арсенида галлия (GaAs) в 10 раз [54]. Для создания высокоэффективной солнечной батареи на основе двумерных полупроводниковых материалов разработана модель устройства, в котором используется пласт из скомпонованных друг на друге нанолистов ДПМ с разной запрещенной зоной [55] (рисунок 11). При такой компоновке монослоев спектр поглощения результирующего устройства расширяется, что приводит к резкому росту эффективности поглощения такой мультислойной структуры; по утверждению авторов, максимально достижимая эффективность такого устройства достигает 40%.

Рисунок 11. Схема компоновки двумерных фотопоглощающих слоев

[55] 25

Для увеличения эффективности преобразования солнечной энергии кремниевых и графеновых солнечных батарей двумерные ДПМ использовались в качестве граничных слоев [56]. Монослойные ДПМ используются и как материал для пассивации. Последнее позволило увеличить коэффициент преобразования энергии до 11%.

Так как двумерные дихалькогениды переходных металлов являются светопоглощающими материалами в видимой части оптического спектра, очевиден вариант использования их в фотодетектирующих устройствах. Первой работой, в которой сообщалось о создании светочувствительного устройства на основе монослойного дисульфида молибдена, является публикация группы Yin [57] от 2012 года. Изображения этого устройства, полученные с помощью атомно-силовой и оптической микроскопии, показаны на рисунке 12.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Авдижиян Артур Юрьевич, 2021 год

Список литературы

1. Tang W., Rassay S.S., Ravindra N.M. Electronic & Optical properties of Transition-Metal Dichalcogenides // Madridge J. Nanotechnol. Nanosci. 2017. Vol. 2, № 1. P. 58-64.

2. McDonnell S.J., Wallace R.M. Atomically-thin layered films for device applications based upon 2D TMDC materials // Thin Solid Films. 2016. Vol. 616. P. 482-501.

3. Kufer D., Konstantatos G. Highly Sensitive, Encapsulated MoS2 Photodetector with Gate Controllable Gain and Speed // Nano Lett. 2015. Vol. 15, № 11. P. 7307-7313.

4. Peng B., Ang P.K., Loh K.P. Two-dimensional dichalcogenides for light-harvesting applications // Nano Today. 2015. Vol. 10, № 2. P. 128-137.

5. Lavrov S.D., Shestakova A.P., Avdizhiyan A.Y., Abdullaev D.A., Mishina E.D., Sushkevich K.D., Kulyuk L.L. The heterogeneity analysis of two-dimensional Mo(1-x)W(x)S(1-y)Sey alloys by optical methods // Thin Solid Films. 2018. Vol. 651. P. 7-12.

6. Huo N., Kang J., Wei Z., Li S.-S., Li J., Wei S.-H. Novel and Enhanced Optoelectronic Performances of Multilayer MoS2-WS2 Heterostructure Transistors // Adv. Funct. Mater. 2014. Vol. 24, № 44. P. 7025-7031.

7. Hou K., Huang Z., Liu S., Liao G., Qiao H., Li H., Qi X. A hydrothermally synthesized MoS2(1-x)Se2x alloy with deep-shallow level conversion for enhanced performance of photodetectors // Nanoscale Adv. 2020. Vol. 2, № 5. P. 2185-2191.

8. Ding Y., Yang G., Gu Y., Yu Y., Zhang X., Tang X., Lu N., Wang Y., Dai Z., Zhao H., Li Y. First-Principles Predictions of Janus MoSSe and WSSe for FET Applications // J. Phys. Chem. C. 2020. Vol. 124, № 38. P. 21197-21206.

9. Rivera P., Schaibley J.R., Jones A.M., Ross J.S., Wu S., Aivazian G., Klement P., Seyler K., Clark G., Ghimire N.J., Yan J., Mandrus D.G., Yao W., Xu X. Observation of long-lived interlayer excitons in monolayer MoSe2-WSe2 heterostructures // Nat. Commun. 2015. Vol. 6, № 1. P. 6242.

10. Tang Y., Mangin-Thro L., Wildes A., Chan M.K., Dorow C.J., Jeong J., Sidis Y., Greven M., Bourges P. Orientation of the intra-unit-cell magnetic moment in the high-Tc superconductor HgBa2CuO4+s // Phys. Rev. B. 2018. Vol. 98, № 21. P. 214418.

11. Sankaran K.J., Chen H.C., Sundaravel B., Lee C.Y., Tai N.H., Lin I.N. Gold ion implantation induced high conductivity and enhanced electron field emission properties in ultrananocrystalline diamond films // Appl. Phys. Lett. 2013. Vol. 102, № 6. P. 061604.

12. Ponomarenko V.P., Popov V.S., Popov S. V., Chepurnov E.L. Photo- and Nanoelectronics Based on Two-Dimensional Materials. Part I. Two-Dimensional Materials: Properties and Synthesis // J. Commun. Technol. Electron. 2020. Vol. 65, № 9. P. 1062-1104.

13. Novoselov K.S. Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films //

Science (80-. ). 2004. Vol. 306, № 5696. P. 666-669.

14. Huang P., Riccardi E., Messelot S., Graef H., Valmorra F., Tignon J., Taniguchi T., Watanabe K., Dhillon S., Plaçais B., Ferreira R., Mangeney J. Ultra-long carrier lifetime in neutral graphene-hBN van der Waals heterostructures under mid-infrared illumination // Nat. Commun. 2020. Vol. 11, № 1. P. 863.

15. Kim Y.R., Phan T.L., Shin Y.S., Kang W.T., Won U.Y., Lee I., Kim J.E., Kim K., Lee Y.H., Yu W.J. Unveiling the Hot Carrier Distribution in Vertical Graphene/h-BN/Au van der Waals Heterostructures for High-Performance Photodetector // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2020. Vol. 12, № 9. P. 1077210780.

16. Wang H., Huang X., Lin J., Cui J., Chen Y., Zhu C., Liu F., Zeng Q., Zhou J., Yu P., Wang X., He H., Tsang S.H., Gao W., Suenaga K., Ma F., Yang C., Lu L., Yu T., Teo E.H.T., et al. High-quality monolayer superconductor NbSe2 grown by chemical vapour deposition // Nat. Commun. 2017. Vol. 8, № 1. P. 394.

17. Calavalle F., Dreher P., Surdendran A.P., Wan W., Timpel M., Verucchi R., Rogero C., Bauch T., Lombardi F., Casanova F., Nardi M.V., Ugeda M.M., Hueso L.E., Gobbi M. Tailoring Superconductivity in Large-Area Single -Layer NbSe 2 via Self-Assembled Molecular Adlayers // Nano Lett. 2021. Vol. 21, № 1. P. 136-143.

18. Tanjil M.R.-E., Jeong Y., Yin Z., Panaccione W., Wang M.C. Ângstrom-Scale, Atomically Thin 2D Materials for Corrosion Mitigation and Passivation // Coatings. 2019. Vol. 9, № 2. P. 133.

19. Ma Y., Liu B., Zhang A., Chen L., Fathi M., Shen C., Abbas A.N., Ge M., Mecklenburg M., Zhou C. Reversible Semiconducting-to-Metallic Phase Transition in Chemical Vapor Deposition Grown Monolayer WSe2 and Applications for Devices // ACS Nano. 2015. Vol. 9, № 7. P. 7383-7391.

20. Molas M.R., Faugeras C., Slobodeniuk A.O., Nogajewski K., Bartos M., Basko D.M., Potemski M. Brightening of dark excitons in monolayers of semiconducting transition metal dichalcogenides // 2D Mater. 2017. Vol. 4, №2 2. P. 021003.

21. Li H., Li P., Huang J.-K., Li M.-Y., Yang C.-W., Shi Y., Zhang X.-X., Li L.-J. Laterally Stitched Heterostructures of Transition Metal Dichalcogenide: Chemical Vapor Deposition Growth on Lithographically Patterned Area // ACS Nano. 2016. Vol. 10, № 11. P. 10516-10523.

22. Zhao Y., Luo X., Li H., Zhang J., Araujo P.T., Gan C.K., Wu J., Zhang H., Quek S.Y., Dresselhaus M.S., Xiong Q. Interlayer Breathing and Shear Modes in Few-Trilayer MoS2 and WSe2 // Nano Lett. 2013. Vol. 13, № 3. P. 10071015.

23. Mak K.F., Lee C., Hone J., Shan J., Heinz T.F. Atomically Thin MoS2 : A New Direct-Gap Semiconductor // Phys. Rev. Lett. 2010. Vol. 105, № 13. P. 136805.

24. Mak K.F., He K., Shan J., Heinz T.F. Control of valley polarization in monolayer MoS2 by optical helicity // Nat. Nanotechnol. 2012. Vol. 7, № 8. P. 494-498.

25. Radisavljevic B., Radenovic A., Brivio J., Giacometti V., Kis A. Single-layer MoS2 transistors // Nat. Nanotechnol. 2011. Vol. 6, № 3. P. 147-150.

26. Splendiani A., Sun L., Zhang Y., Li T., Kim J., Chim C.-Y., Galli G., Wang F. Emerging Photoluminescence in Monolayer MoS2 // Nano Lett. 2010. Vol. 10, № 4. P. 1271-1275.

27. Zhang Y., Chang T.-R., Zhou B., Cui Y.-T., Yan H., Liu Z., Schmitt F., Lee J., Moore R., Chen Y., Lin H., Jeng H.-T., Mo S.-K., Hussain Z., Bansil A., Shen Z.-X. Direct observation of the transition from indirect to direct bandgap in atomically thin epitaxial MoSe2 // Nat. Nanotechnol. 2014. Vol. 9, № 2. P.

111-115.

28. Cong C., Shang J., Wang Y., Yu T. Optical Properties of 2D Semiconductor WS2 // Adv. Opt. Mater. 2018. Vol. 6, № 1. P. 1700767.

29. Tongay S., Zhou J., Ataca C., Lo K., Matthews T.S., Li J., Grossman J.C., Wu J. Thermally Driven Crossover from Indirect toward Direct Bandgap in 2D Semiconductors: MoSe2 versus MoS2 // Nano Lett. 2012. Vol. 12, № 11. P. 5576-5580.

30. Wang H., Yu L., Lee Y.-H., Shi Y., Hsu A., Chin M.L., Li L.-J., Dubey M., Kong J., Palacios T. Integrated Circuits Based on Bilayer MoS2 Transistors // Nano Lett. 2012. Vol. 12, № 9. P. 4674-4680.

31. Paier J., Hirschl R., Marsman M., Kresse G. The Perdew-Burke-Ernzerhof exchange-correlation functional applied to the G2-1 test set using a plane-wave basis set // J. Chem. Phys. 2005. Vol. 122, № 23. P. 234102.

32. Moussa J.E., Schultz P.A., Chelikowsky J.R. Analysis of the Heyd-Scuseria-Ernzerhof density functional parameter space // J. Chem. Phys. 2012. Vol. 136, № 20. P. 204117.

33. Kang J., Tongay S., Zhou J., Li J., Wu J. Band offsets and heterostructures of two-dimensional semiconductors // Appl. Phys. Lett. 2013. Vol. 102, № 1. P. 012111.

34. Fang N., Toyoda S., Taniguchi T., Watanabe K., Nagashio K. Full Energy Spectra of Interface State Densities for n - and p -type MoS2 Field-Effect Transistors // Adv. Funct. Mater. 2019. Vol. 29, № 49. P. 1904465.

35. Chen Y., Wang X., Wang P., Huang H., Wu G., Tian B., Hong Z., Wang Y., Sun S., Shen H., Wang J., Hu W., Sun J., Meng X., Chu J. Optoelectronic Properties of Few-Layer MoS2 FET Gated by Ferroelectric Relaxor Polymer // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2016. Vol. 8, № 47. P. 32083-32088.

36. Pudasaini P.R., Oyedele A., Zhang C., Stanford M.G., Cross N., Wong A.T.,

156

Hoffman A.N., Xiao K., Duscher G., Mandrus D.G., Ward T.Z., Rack P.D. High-performance multilayer WSe2 field-effect transistors with carrier type control // Nano Res. 2018. Vol. 11, № 2. P. 722-730.

37. Movva H.C.P., Rai A., Kang S., Kim K., Fallahazad B., Taniguchi T., Watanabe K., Tutuc E., Banerjee S.K. High-Mobility Holes in Dual-Gated WSe2 Field-Effect Transistors // ACS Nano. 2015. Vol. 9, № 10. P. 1040210410.

38. Das S.R., Kwon J., Prakash A., Delker C.J., Das S., Janes D.B. Low-frequency noise in MoSe2 field effect transistors // Appl. Phys. Lett. 2015. Vol. 106, № 8. P. 083507.

39. Perea-López N., Elías A.L., Berkdemir A., Castro-Beltran A., Gutiérrez H.R., Feng S., Lv R., Hayashi T., López-Urías F., Ghosh S., Muchharla B., Talapatra S., Terrones H., Terrones M. Photosensor Device Based on Few-Layered WS2 Films // Adv. Funct. Mater. 2013. Vol. 23, № 44. P. 5511-5517.

40. Jeong Y., Jin H., Park J.H., Cho Y., Kim M., Hong S., Jo W., Yi Y., Im S. Low Voltage and Ferroelectric 2D Electron Devices Using Lead-Free Ba x Sr 1-x TiÜ3 and MoS2 Channel // Adv. Funct. Mater. 2020. Vol. 30, № 7. P. 1908210.

41. Chamlagain B., Bhanu U., Mou S., Khondaker S.I. Tailoring the Potential Landscape and Electrical Properties of 2D MoS 2 using Gold Nanostructures of Different Coverage Density // J. Phys. Chem. C. 2020. Vol. 124, № 11. P. 6461-6466.

42. Sirota B., Glavin N., Voevodin A.A. Room temperature magnetron sputtering and laser annealing of ultrathin MoS2 for flexible transistors // Vacuum. 2019. Vol. 160. P. 133-138.

43. Singh A.K., Hwang C., Eom J. Low-Voltage and High-Performance Multilayer MoS2 Field-Effect Transistors with Graphene Electrodes // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2016. Vol. 8, № 50. P. 34699-34705.

44. Gao G., Wan B., Liu X., Sun Q., Yang X., Wang L., Pan C., Wang Z.L. Tunable Tribotronic Dual-Gate Logic Devices Based on 2D M0S2 and Black Phosphorus // Adv. Mater. 2018. Vol. 30, № 13. P. 1705088.

45. Martinez L.M., Pinto N.J., Naylor C.H., Johnson A.T.C. M0S2 based dual input logic AND gate // AIP Adv. 2016. Vol. 6, № 12. P. 125041.

46. Ko K.Y., Lee S., Park K., Kim Y., Woo W.J., Kim D., Song J.-G., Park J., Kim J.H., Lee Z., Kim H. High-Performance Gas Sensor Using a Large-Area WS2xSe2-2x Alloy for Low-Power Operation Wearable Applications // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2018. Vol. 10, № 40. P. 34163-34171.

47. Guo H., Lan C., Zhou Z., Sun P., Wei D., Li C. Transparent, flexible, and stretchable WS2 based humidity sensors for electronic skin // Nanoscale. 2017. Vol. 9, № 19. P. 6246-6253.

48. He P., Brent J.R., Ding H., Yang J., Lewis D.J., O'Brien P., Derby B. Fully printed high performance humidity sensors based on two-dimensional materials // Nanoscale. 2018. Vol. 10, № 12. P. 5599-5606.

49. Ko K.Y., Song J.-G., Kim Y., Choi T., Shin S., Lee C.W., Lee K., Koo J., Lee H., Kim J., Lee T., Park J., Kim H. Improvement of Gas-Sensing Performance of Large-Area Tungsten Disulfide Nanosheets by Surface Functionalization // ACS Nano. 2016. Vol. 10, № 10. P. 9287-9296.

50. Chee S.-S., Seo D., Kim H., Jang H., Lee S., Moon S.P., Lee K.H., Kim S.W., Choi H., Ham M.-H. Lowering the Schottky Barrier Height by Graphene/Ag Electrodes for High-Mobility MoS2 Field-Effect Transistors // Adv. Mater. 2019. Vol. 31, № 2. P. 1804422.

51. Zou H.L., Li B.L., Luo H.Q., Li N.B. 0D-2D heterostructures of Au nanoparticles and layered MoS2 for simultaneous detections of dopamine, ascorbic acid, uric acid, and nitrite // Sensors Actuators B Chem. 2017. Vol. 253. P. 352-360.

52. Mao C.-H., Dubey A., Lee F.-J., Chen C.-Y., Tang S.-Y., Ranjan A., Lu M.Y., Chueh Y.-L., Gwo S., Yen T.-J. An Ultrasensitive Gateless Photodetector Based on the 2D Bilayer MoS2 -1D Si Nanowire-0D Ag Nanoparticle Hybrid Structure // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2021. Vol. 13, № 3. P. 4126-4132.

53. Lepeshov S., Krasnok A., Alu A. Enhanced excitation and emission from 2D transition metal dichalcogenides with all-dielectric nanoantennas // Nanotechnology. 2019. Vol. 30, № 25. P. 254004.

54. Bernardi M., Palummo M., Grossman J.C. Extraordinary Sunlight Absorption and One Nanometer Thick Photovoltaics Using Two-Dimensional Monolayer Materials // Nano Lett. 2013. Vol. 13, № 8. P. 3664-3670.

55. Polman A., Atwater H.A. Photonic design principles for ultrahigh-efficiency photovoltaics // Nat. Mater. 2012. Vol. 11, № 3. P. 174-177.

56. Tsuboi Y., Wang F., Kozawa D., Funahashi K., Mouri S., Miyauchi Y., Takenobu T., Matsuda K. Enhanced photovoltaic performances of graphene/Si solar cells by insertion of a MoS2 thin film // Nanoscale. 2015. Vol. 7, № 34. P. 14476-14482.

57. Yin Z., Li H., Li H., Jiang L., Shi Y., Sun Y., Lu G., Zhang Q., Chen X., Zhang H. Single-Layer MoS2 Phototransistors // ACS Nano. 2012. Vol. 6, № 1. P. 74-80.

58. Ramadoss A., Kim T., Kim G.-S., Kim S.J. Enhanced activity of a hydrothermally synthesized mesoporous MoS2 nanostructure for high performance supercapacitor applications // New J. Chem. 2014. Vol. 38, № 6. P. 2379.

59. Liu J., Zeng Z., Cao X., Lu G., Wang L.-H., Fan Q.-L., Huang W., Zhang H. Preparation of MoS2 -Polyvinylpyrrolidone Nanocomposites for Flexible Nonvolatile Rewritable Memory Devices with Reduced Graphene Oxide Electrodes // Small. 2012. Vol. 8, № 22. P. 3517-3522.

60. Yin Z., Zeng Z., Liu J., He Q., Chen P., Zhang H. Memory Devices Using a Mixture of MoS2 and Graphene Oxide as the Active Layer // Small. 2013. Vol. 9, № 5. P. 727-731.

61. Sundaram R.S., Engel M., Lombardo A., Krupke R., Ferrari A.C., Avouris P., Steiner M. Electroluminescence in Single Layer MoS2 // Nano Lett. 2013. Vol. 13, № 4. P. 1416-1421.

62. Zhang Y.J., Ye J.T., Yomogida Y., Takenobu T., Iwasa Y. Formation of a Stable p - n Junction in a Liquid-Gated MoS2 Ambipolar Transistor // Nano Lett. 2013. Vol. 13, № 7. P. 3023-3028.

63. Duerloo K.-A.N., Ong M.T., Reed E.J. Intrinsic Piezoelectricity in Two-Dimensional Materials // J. Phys. Chem. Lett. 2012. Vol. 3, № 19. P. 28712876.

64. Wu W., Wang L., Li Y., Zhang F., Lin L., Niu S., Chenet D., Zhang X., Hao Y., Heinz T.F., Hone J., Wang Z.L. Piezoelectricity of single-atomic-layer MoS2 for energy conversion and piezotronics // Nature. 2014. Vol. 514, № 7523. P. 470-474.

65. Luo Y., Liu N., Li X., Hone J.C., Strauf S. Single photon emission in WSe2 up 160 K by quantum yield control // 2D Mater. 2019. Vol. 6, № 3. P. 035017.

66. Sun H., Wang J., Wang F., Xu L., Jiang K., Shang L., Hu Z., Chu J. Enhanced exciton emission behavior and tunable band gap of ternary W(SxSe1-x)2 monolayer: temperature dependent optical evidence and first-principles calculations // Nanoscale. 2018. Vol. 10, № 24. P. 11553-11563.

67. Lee B., Liu W., Naylor C.H., Park J., Malek S.C., Berger J.S., Johnson A.T.C., Agarwal R. Electrical Tuning of Exciton-Plasmon Polariton Coupling in Monolayer MoS2 Integrated with Plasmonic Nanoantenna Lattice // Nano Lett. 2017. Vol. 17, № 7. P. 4541-4547.

68. Rigosi A.F., Hill H.M., Rim K.T., Flynn G.W., Heinz T.F. Electronic band

gaps and exciton binding energies in monolayer MoxW1-xS2 transition metal dichalcogenide alloys probed by scanning tunneling and optical spectroscopy // Phys. Rev. B. 2016. Vol. 94, № 7. P. 075440.

69. Csehi A., Kowalewski M., Halasz G.J., Vibok A. Ultrafast dynamics in the vicinity of quantum light-induced conical intersections // New J. Phys. 2019. Vol. 21, № 9. P. 093040.

70. Xie L.M. Two-dimensional transition metal dichalcogenide alloys: preparation, characterization and applications // Nanoscale. 2015. Vol. 7, № 44. P. 18392-18401.

71. Dimple D., Jena N., Rawat A., Ahammed R., Mohanta M.K., De Sarkar A. Emergence of high piezoelectricity along with robust electron mobility in Janus structures in semiconducting Group IVB dichalcogenide monolayers // J. Mater. Chem. A. 2018. Vol. 6, № 48. P. 24885-24898.

72. Ahammed R., Jena N., Rawat A., Mohanta M.K., Dimple, De Sarkar A. Ultrahigh Out-of-Plane Piezoelectricity Meets Giant Rashba Effect in 2D Janus Monolayers and Bilayers of Group IV Transition-Metal Trichalcogenides // J. Phys. Chem. C. 2020. Vol. 124, № 39. P. 21250-21260.

73. Rawat A., Mohanta M.K., Jena N., Dimple, Ahammed R., De Sarkar A. Nanoscale Interfaces of Janus Monolayers of Transition Metal Dichalcogenides for 2D Photovoltaic and Piezoelectric Applications // J. Phys. Chem. C. 2020. Vol. 124, № 19. P. 10385-10397.

74. Ko K.Y., Lee S., Park K., Kim Y., Woo W.J., Kim D., Song J.-G., Park J., Kim J.H., Lee Z., Kim H. High-Performance Gas Sensor Using a Large-Area WS2xSe2-2x Alloy for Low-Power Operation Wearable Applications // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2018. Vol. 10, № 40. P. 34163-34171.

75. Feng Q., Zhu Y., Hong J., Zhang M., Duan W., Mao N., Wu J., Xu H., Dong F., Lin F., Jin C., Wang C., Zhang J., Xie L. Growth of Large-Area 2D MoS2(1-

x)Se2x Semiconductor Alloys // Adv. Mater. 2014. Vol. 26, № 17. P. 26482653.

76. Duan X., Wang C., Fan Z., Hao G., Kou L., Halim U., Li H., Wu X., Wang Y., Jiang J., Pan A., Huang Y., Yu R., Duan X. Synthesis of WS2xSe2-2x Alloy Nanosheets with Composition-Tunable Electronic Properties // Nano Lett.

2016. Vol. 16, № 1. P. 264-269.

77. Hong S., Choi S.H., Park J., Yoo H., Oh J.Y., Hwang E., Yoon D.H., Kim S. Sensory Adaptation and Neuromorphic Phototransistors Based on CsPb(Br1-xIx)3 Perovskite and MoS 2 Hybrid Structure // ACS Nano. 2020. Vol. 14, № 8. P. 9796-9806.

78. Nagler P., Plechinger G., Ballottin M. V, Mitioglu A., Meier S., Paradiso N., Strunk C., Chernikov A., Christianen P.C.M., Schüller C., Korn T. Interlayer exciton dynamics in a dichalcogenide monolayer heterostructure // 2D Mater.

2017. Vol. 4, № 2. P. 025112.

79. Liu Y., Fang H., Rasmita A., Zhou Y., Li J., Yu T., Xiong Q., Zheludev N., Liu J., Gao W. Room temperature nanocavity laser with interlayer excitons in 2D heterostructures // Sci. Adv. 2019. Vol. 5, № 4. P. eaav4506.

80. Gao S., Yang L., Spataru C.D. Interlayer Coupling and Gate-Tunable Excitons in Transition Metal Dichalcogenide Heterostructures // Nano Lett. 2017. Vol. 17, № 12. P. 7809-7813.

81. Ceballos F., Bellus M.Z., Chiu H.-Y., Zhao H. Probing charge transfer excitons in a MoSe2 -WS2 van der Waals heterostructure // Nanoscale. 2015. Vol. 7, № 41. P. 17523-17528.

82. Deilmann T., Thygesen K.S. Interlayer Trions in the MoS2/WS2 van der Waals Heterostructure // Nano Lett. 2018. Vol. 18, № 2. P. 1460-1465.

83. Mouri S., Zhang W., Kozawa D., Miyauchi Y., Eda G., Matsuda K. Thermal dissociation of inter-layer excitons in MoS2/MoSe2 hetero-bilayers //

162

Nanoscale. 2017. Vol. 9, № 20. P. 6674-6679.

84. Kim J., Jin C., Chen B., Cai H., Zhao T., Lee P., Kahn S., Watanabe K., Taniguchi T., Tongay S., Crommie M.F., Wang F. Observation of ultralong valley lifetime in WSe2/MoS2 heterostructures // Sci. Adv. 2017. Vol. 3, № 7. P. e1700518.

85. Patel A.B., Chauhan P., Patel K., Sumesh C.K., Narayan S., Patel K.D., Solanki G.K., Pathak V.M., Jha P.K., Patel V. Solution-Processed Uniform MoSe2-WSe2 Heterojunction Thin Film on Silicon Substrate for Superior and Tunable Photodetection // ACS Sustain. Chem. Eng. 2020. Vol. 8, № 12. P. 4809-4817.

86. Roy T., Tosun M., Cao X., Fang H., Lien D.-H., Zhao P., Chen Y.-Z., Chueh Y.-L., Guo J., Javey A. Dual-Gated MoS2/WSe2 van der Waals Tunnel Diodes and Transistors // ACS Nano. 2015. Vol. 9, № 2. P. 2071-2079.

87. Kaushik V., Ahmad M., Agarwal K., Varandani D., Belle B.D., Das P., Mehta B.R. Charge Transport in 2D MoS2 , WS2 , and MoS2 -WS2 Heterojunction-Based Field-Effect Transistors: Role of Ambipolarity // J. Phys. Chem. C. 2020. Vol. 124, № 42. P. 23368-23379.

88. Paul T., Ahmed T., Kanhaiya Tiwari K., Singh Thakur C., Ghosh A. A highperformance MoS2 synaptic device with floating gate engineering for neuromorphic computing // 2D Mater. 2019. Vol. 6, № 4. P. 045008.

89. Bang S., Duong N.T., Lee J., Cho Y.H., Oh H.M., Kim H., Yun S.J., Park C., Kwon M.-K., Kim J.-Y., Kim J., Jeong M.S. Augmented Quantum Yield of a 2D Monolayer Photodetector by Surface Plasmon Coupling // Nano Lett. 2018. Vol. 18, № 4. P. 2316-2323.

90. Alamri M., Gong M., Cook B., Goul R., Wu J.Z. Plasmonic WS2 Nanodiscs/Graphene van der Waals Heterostructure Photodetectors // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2019. Vol. 11, № 36. P. 33390-33398.

91. John R.A., Acharya J., Zhu C., Surendran A., Bose S.K., Chaturvedi A., Tiwari N., Gao Y., He Y., Zhang K.K., Xu M., Leong W.L., Liu Z., Basu A., Mathews N. Optogenetics inspired transition metal dichalcogenide neuristors for inmemory deep recurrent neural networks // Nat. Commun. 2020. Vol. 11, № 1. P. 3211.

92. Martin R.M. Electronic Structure. 2004.

93. Rybkovskiy D. V., Osadchy A. V., Obraztsova E.D. Transition from parabolic to ring-shaped valence band maximum in few-layer GaS, GaSe, and InSe // Phys. Rev. B. 2014. Vol. 90, № 23. P. 235302.

94. Thimsen E., Biswas S., Lo C.S., Biswas P. Predicting the Band Structure of Mixed Transition Metal Oxides: Theory and Experiment // J. Phys. Chem. C. 2009. Vol. 113, № 5. P. 2014-2021.

95. Giannozzi P., Baseggio O., Bonfa P., Brunato D., Car R., Carnimeo I., Cavazzoni C., de Gironcoli S., Delugas P., Ferrari Ruffino F., Ferretti A., Marzari N., Timrov I., Urru A., Baroni S. Quantum ESPRESSO toward the exascale // J. Chem. Phys. 2020. Vol. 152, № 15. P. 154105.

96. Giannozzi P., Baroni S., Bonini N., Calandra M., Car R., Cavazzoni C., Ceresoli D., Chiarotti G.L., Cococcioni M., Dabo I., Dal Corso A., de Gironcoli S., Fabris S., Fratesi G., Gebauer R., Gerstmann U., Gougoussis C., Kokalj A., Lazzeri M., Martin-Samos L., et al. QUANTUM ESPRESSO: a modular and open-source software project for quantum simulations of materials // J. Phys. Condens. Matter. 2009. Vol. 21, № 39. P. 395502.

97. Perdew J.P., Burke K., Ernzerhof M. Generalized Gradient Approximation Made Simple // Phys. Rev. Lett. 1996. Vol. 77, № 18. P. 3865-3868.

98. Liu H.-L., Shen C.-C., Su S.-H., Hsu C.-L., Li M.-Y., Li L.-J. Optical properties of monolayer transition metal dichalcogenides probed by spectroscopic ellipsometry // Appl. Phys. Lett. 2014. Vol. 105, № 20. P.

201905.

99. He K., Kumar N., Zhao L., Wang Z., Mak K.F., Zhao H., Shan J. Tightly Bound Excitons in Monolayer WSe2 // Phys. Rev. Lett. 2014. Vol. 113, № 2. P. 026803.

100. Buscema M., Island J.O., Groenendijk D.J., Blanter S.I., Steele G.A., van der Zant H.S.J., Castellanos-Gomez A. Photocurrent generation with two-dimensional van der Waals semiconductors // Chem. Soc. Rev. 2015. Vol. 44, № 11. P. 3691-3718.

101. Chen F., Ding S., Su W. The synthesis and tunable optical properties of two-dimensional alloyed Mo1-xWxS2 monolayer with in-plane composition modulations (0<x<1) // J. Alloys Compd. 2019. Vol. 784. P. 213-219.

102. Ye J., Niu B., Li Y., Li T., Zhang X. Exciton valley dynamics in monolayer Mo1-xWxSe2 (x = 0, 0.5, 1) // Appl. Phys. Lett. 2017. Vol. 111, № 15. P. 152106.

103. Gong Q., Sheng S., Ye H., Han N., Cheng L., Li Y. MoxW1-x(SySe1-y)2 Alloy Nanoflakes for High-Performance Electrocatalytic Hydrogen Evolution // Part. Part. Syst. Charact. 2016. Vol. 33, № 8. P. 576-582.

104. Arora A., Koperski M., Nogajewski K., Marcus J., Faugeras C., Potemski M. Excitonic resonances in thin films of WSe 2 : from monolayer to bulk material // Nanoscale. 2015. Vol. 7, № 23. P. 10421-10429.

105. Castellanos-Gomez A., Quereda J., van der Meulen H.P., Agraït N., Rubio-Bollinger G. Spatially resolved optical absorption spectroscopy of single- and few-layer MoS2 by hyperspectral imaging // Nanotechnology. 2016. Vol. 27, № 11. P. 115705.

106. Zhang H., Ma Y., Wan Y., Rong X., Xie Z., Wang W., Dai L. Measuring the Refractive Index of Highly Crystalline Monolayer MoS2 with High Confidence // Sci. Rep. 2015. Vol. 5, № 1. P. 8440.

107. Jung G.-H., Yoo S., Park Q.-H. Measuring the optical permittivity of two-dimensional materials without a priori knowledge of electronic transitions // Nanophotonics. 2018. Vol. 8, № 2. P. 263-270.

108. Kang J., Tongay S., Li J., Wu J. Monolayer semiconducting transition metal dichalcogenide alloys: Stability and band bowing // J. Appl. Phys. 2013. Vol. 113, № 14. P. 143703.

109. Xi J., Zhao T., Wang D., Shuai Z. Tunable Electronic Properties of Two-Dimensional Transition Metal Dichalcogenide Alloys: A First-Principles Prediction // J. Phys. Chem. Lett. 2014. Vol. 5, № 2. P. 285-291.

110. Shestakova A., Lavrov S., Brekhov K., Ilyin N., Kudryavtsev A., Mishina E.D., Kulyuk L.L. Photoexcitation Carrier Kinetics in WSe2 Nanolayers in the Vicinity of the Band Edge // Phys. status solidi. 2018. Vol. 255, № 1. P. 1700259.

111. Ohtomo A., Kawasaki M., Koida T., Masubuchi K., Koinuma H., Sakurai Y., Yoshida Y., Yasuda T., Segawa Y. MgxZn1-xO as a II-VI widegap semiconductor alloy // Appl. Phys. Lett. 1998. Vol. 72, № 19. P. 2466-2468.

112. Kim E., Cho J.-W., Kim B.R., Nguyen T.T.T., Nam Y.-H., Kim S.-K., Yoon S., Kim Y.S., Lee J.-H., Kim D.-W. Interference-Enhanced Broadband Absorption of Monolayer MoS2 on Sub-100 nm Thick SiO2 /Si Substrates: Reflection and Transmission Phase Changes at Interfaces // Adv. Mater. Interfaces. 2018. Vol. 5, № 12. P. 1701637.

113. Fang X., Wei P., Wang L., Wang X., Chen B., He Q., Yue Q., Zhang J., Zhao W., Wang J., Lu G., Zhang H., Huang W., Huang X., Li H. Transforming Monolayer Transition-Metal Dichalcogenide Nanosheets into One-Dimensional Nanoscrolls with High Photosensitivity // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2018. Vol. 10, № 15. P. 13011-13018.

114. https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=DET36A [Интернет

ресурс].

115. https://ru.mouser.com/ProductDetail/OSRAM-Opto-Semiconductors/SFH-2200?qs=z7LT7PaeiGHaF95XD 1 Ogyw%3D%3D [Интернет ресурс].

116. https://www.hamamatsu.com/jp/en/product/type/S16008-33/index.html [Интернет ресурс].

117. http://www.teledynejudson.com/products/germanium-detectors [Интернет ресурс].

118. https: //www.hamamatsu.com/j p/en/product/type/G 12183-210KA-03/index.html [Интернет ресурс].

119. https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=FDS1010 [Интернет ресурс].

120. Xie Y., Zhang B., Wang S., Wang D., Wang A., Wang Z., Yu H., Zhang H., Chen Y., Zhao M., Huang B., Mei L., Wang J. Ultrabroadband MoS 2 Photodetector with Spectral Response from 445 to 2717 nm // Adv. Mater. 2017. Vol. 29, № 17. P. 1605972.

121. Huang Z., Zhang T., Liu J., Zhang L., Jin Y., Wang J., Jiang K., Fan S., Li Q. Amorphous MoS2 Photodetector with Ultra-Broadband Response // ACS Appl. Electron. Mater. 2019. Vol. 1, № 7. P. 1314-1321.

122. Dai T., Liu Y., Liu X., Xie D., Li Y. High performance photodetectors constructed on atomically thin few-layer MoSe2 synthesized using atomic layer deposition and a chemical vapor deposition chamber // J. Alloys Compd. 2019. Vol. 785. P. 951-957.

123. Mao J., Yu Y., Wang L., Zhang X., Wang Y., Shao Z., Jie J. Ultrafast, Broadband Photodetector Based on MoSe2 /Silicon Heterojunction with Vertically Standing Layered Structure Using Graphene as Transparent Electrode // Adv. Sci. 2016. Vol. 3, № 11. P. 1600018.

124. Xia J., Huang X., Liu L.-Z., Wang M., Wang L., Huang B., Zhu D.-D., Li J.-J., Gu C.-Z., Meng X.-M. CVD synthesis of large-area, highly crystalline MoSe 2 atomic layers on diverse substrates and application to photodetectors // Nanoscale. 2014. Vol. 6, № 15. P. 8949.

125. Chen J., Wang Q., Sheng Y., Cao G., Yang P., Shan Y., Liao F., Muhammad Z., Bao W., Hu L., Liu R., Cong C., Qiu Z.-J. High-Performance WSe2 Photodetector Based on a Laser-Induced p-n Junction // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2019. Vol. 11, № 46. P. 43330-43336.

126. Zhou C., Raju S., Li B., Chan M., Chai Y., Yang C.Y. Self-Driven Metal-Semiconductor-Metal WSe2 Photodetector with Asymmetric Contact Geometries // Adv. Funct. Mater. 2018. Vol. 28, № 45. P. 1802954.

127. Zheng Z., Zhang T., Yao J., Zhang Y., Xu J., Yang G. Flexible, transparent and ultra-broadband photodetector based on large-area WSe2 film for wearable devices // Nanotechnology. 2016. Vol. 27, № 22. P. 225501.

128. Ye L., Wang P., Luo W., Gong F., Liao L., Liu T., Tong L., Zang J., Xu J., Hu W. Highly polarization sensitive infrared photodetector based on black phosphorus-on-WSe2 photogate vertical heterostructure // Nano Energy. 2017. Vol. 37. P. 53-60.

129. Wei X., Yan F., Lv Q., Zhu W., Hu C., Patane A., Wang K. Enhanced Photoresponse in MoTe2 Photodetectors with Asymmetric Graphene Contacts // Adv. Opt. Mater. 2019. Vol. 7, № 12. P. 1900190.

130. Huang H., Wang J., Hu W., Liao L., Wang P., Wang X., Gong F., Chen Y., Wu G., Luo W., Shen H., Lin T., Sun J., Meng X., Chen X., Chu J. Highly sensitive visible to infrared MoTe2 photodetectors enhanced by the photogating effect // Nanotechnology. 2016. Vol. 27, № 44. P. 445201.

131. Huang H., Wang X., Wang P., Wu G., Chen Y., Meng C., Liao L., Wang J., Hu W., Shen H., Lin T., Sun J., Meng X., Chen X., Chu J. Ferroelectric

polymer tuned two dimensional layered MoTe2 photodetector // RSC Adv. 2016. Vol. 6, № 90. P. 87416-87421.

132. Octon T.J., Nagareddy V.K., Russo S., Craciun M.F., Wright C.D. Fast High-Responsivity Few-Layer MoTe2 Photodetectors // Adv. Opt. Mater. 2016. Vol. 4, № 11. P. 1750-1754.

133. Kimel A. V., Bentivegna F., Gridnev V.N., Pavlov V. V., Pisarev R. V., Rasing T. Room-temperature ultrafast carrier and spin dynamics in GaAs probed by the photoinduced magneto-optical Kerr effect // Phys. Rev. B. 2001. Vol. 63, № 23. P. 235201.

134. Yu Y., Hu S., Su L., Huang L., Liu Y., Jin Z., Purezky A.A., Geohegan D.B., Kim K.W., Zhang Y., Cao L. Equally Efficient Interlayer Exciton Relaxation and Improved Absorption in Epitaxial and Nonepitaxial MoS2/WS2 Heterostructures // Nano Lett. 2015. Vol. 15, № 1. P. 486-491.

135. Choi C., Huang J., Cheng H.-C., Kim H., Vinod A.K., Bae S.-H., Öz?elik V.O., Grassi R., Chae J., Huang S.-W., Duan X., Kaasbjerg K., Low T., Wong C.W. Enhanced interlayer neutral excitons and trions in trilayer van der Waals heterostructures // npj 2D Mater. Appl. 2018. Vol. 2, № 1. P. 30.

136. Tongay S., Fan W., Kang J., Park J., Koldemir U., Suh J., Narang D.S., Liu K., Ji J., Li J., Sinclair R., Wu J. Tuning Interlayer Coupling in Large-Area Heterostructures with CVD-Grown MoS2 and WS2 Monolayers // Nano Lett. 2014. Vol. 14, № 6. P. 3185-3190.

137. Conley H.J., Wang B., Ziegler J.I., Haglund R.F., Pantelides S.T., Bolotin K.I. Bandgap Engineering of Strained Monolayer and Bilayer MoS2 // Nano Lett. 2013. Vol. 13, № 8. P. 3626-3630.

138. Liu H.-L., Shen C.-C., Su S.-H., Hsu C.-L., Li M.-Y., Li L.-J. Optical properties of monolayer transition metal dichalcogenides probed by spectroscopic ellipsometry // Appl. Phys. Lett. 2014. Vol. 105, № 20. P.

201905.

139. Wang L., Kutana A., Yakobson B.I. Many-body and spin-orbit effects on direct-indirect band gap transition of strained monolayer MoS 2 and WS 2 // Ann. Phys. 2014. Vol. 526, № 9-10. P. L7-L12.

140. Deng S., Li L., Li M. Stability of direct band gap under mechanical strains for monolayer MoS2, MoSe2, WS2 and WSe2 // Phys. E Low-dimensional Syst. Nanostructures. 2018. Vol. 101. P. 44-49.

141. Terrones H., Lopez-Urias F., Terrones M. Novel hetero-layered materials with tunable direct band gaps by sandwiching different metal disulfides and diselenides // Sci. Rep. 2013. Vol. 3, № 1. P. 1549.

142. Li W., Wang T., Dai X., Wang X., Zhai C., Ma Y., Chang S., Tang Y. Electric field modulation of the band structure in MoS2/WS2 van der waals heterostructure // Solid State Commun. 2017. Vol. 250. P. 9-13.

143. Hill H.M., Rigosi A.F., Rim K.T., Flynn G.W., Heinz T.F. Band Alignment in MoS2/WS2 Transition Metal Dichalcogenide Heterostructures Probed by Scanning Tunneling Microscopy and Spectroscopy // Nano Lett. 2016. Vol. 16, № 8. P. 4831-4837.