超薄过渡金属硫化物气敏光敏传感器件研究

发布时间：2020-11-09 20:03

　　 超薄过渡金属硫化物,也可以表示为二维过渡金属硫化物(2D-TMDCs),具有与石墨烯类似的层状结构,其层内由两层硫族原子夹持一层过渡金属原子,以共价键的形式构成稳定结构,层间依靠范德瓦耳斯力连接。二维TMDCs具有良好的光学、电学和机械性能,在新型传感器领域具有潜在的应用前景。硫化钨(WS_2)薄膜作为TMDCs中的一种,具有与可见光匹配的禁带宽度、大的比表面积和良好的柔性,在光探测器、气体传感器及柔性器件中有显著优势。考虑到结晶特性对器件性能有重要影响,本文制备了结晶性不同的WS_2薄膜,并研究其光敏和湿敏性能。基于WS_2薄膜的柔性特点,制备出柔性可拉伸湿度传感器。论文主要内容如下:(1)通过化学气相沉积(CVD)法,蒸发WO_3和S,高温环境下反应生成高结晶性WS_2薄膜。基于该WS_2薄膜制备光探测器,研究其光敏性能,进而将该WS_2薄膜转移至聚二甲基硅氧烷(PDMS)柔性衬底,制备柔性光探测器,研究其柔性条件下的光响应特性。(2)通过磁控溅射法和CVD法,在SiO_2/Si(表面SiO_2层厚度为300 nm)衬底上镀制金属W薄膜,并通过硫化该W薄膜制备几层厚多晶WS_2薄膜。基于该WS_2薄膜,制备电阻型湿度传感器,该传感器在室温下具有良好的湿度响应特性,相对湿度(RH)为90%时,其响应度为2357,环境湿度在35%RH和40%RH之间变化时,响应时间和恢复时间分别为5 s和6 s。通过测试器件对不同气体的响应特性,分析器件的探测选择性。通过与高结晶性WS_2对比,发现结晶性是影响WS_2薄膜湿度响应性能的重要因素,并解释了该器件的湿度探测机理。(3)通过将多晶WS_2薄膜转移至预拉伸的PDMS柔性衬底,并采用叉指状石墨烯作为透明电极,制备透明柔性可拉伸湿度传感器。器件在可见光范围内透过率大于70%,在弯折和平整等不同状态下表现出相似的湿度响应特性,在施加0、20%和40%不同拉伸量后均具有良好的湿度响应特性。基于该透明柔性可拉伸湿度传感器,测试了器件贴合皮肤时的湿度响应,并验证其监测呼吸的可能性。该二维WS_2薄膜具有应用于电子皮肤、可穿戴设备和呼吸监测等领域的可能性。
【学位单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TP212;TB383.2
【部分图文】：

每两层 TMDCs 是一个重复单元，而另外两种是亚稳态结 2H 构型 MX2[16]。学性质：TMDCs 具有多种导电类型，涵盖了从绝缘体到导S2是一种绝缘体[17]，MoS2、WS2等属于半导体[18]，NbS2、导电性[19-21]。有些 TMDCs，如 NbSe2、TaS2等，在低温环荷密度波和莫特转变等性能[11, 12, 21-23]。对于二维的 TMDCs层甚至单层时，由于二维材料量子限域效应的作用，二维 T材料的电学特性。如图 1-1(c)所示，以 MoS2为例，块体状态为 1.2 eV 的间接带隙半导体，带隙宽度如图中 Eg′所示，带隙宽度为 1.8 eV 的直接带隙半导体，带隙宽度如图中 Eg所性质，当 WS2由块体材料变为二维材料时，其带隙会展宽半导体[25, 26]。他性质：TMDCs 还具有良好的机械性能、电化学性能等，在感、储能器件、析氢器件中有潜在的应用[10, 25, 27-30]。这些DCs 在诸多领域有着广泛应用，成为当前的热点研究材料。

TMDCs 制备方法概述维 TMDCs 材料是研究其性质的基础，受机械剥离石墨烯的Cs 二维材料，主要采用机械剥离的方法[8, 32]，为了满足大面要，人们研究出多种合成方法，包括液相剥离法[32-34]、化[15, 35-39]和原子层沉积（ALD）法等[40, 41]，具体如下：械剥离法：因为 TMDCs 每层薄膜之间结合力较弱，采用的方法，可以从块体材料中直接剥离出薄膜，采用这种―自备高结晶性的二维 TMDCs 材料。K. S. Novoselov 等人发现硬质衬底上摩擦，可以在划痕中得到单层的二维材料，且用此方法，制备了不同种类的纳米片，如图 1-2 所示，为制备i2Sr2CaCuOx和 MoS2二维材料图片。虽然机械剥离的方法能层、纯净的 TMDCs 二维材料，为研究二维材料提供了良好的离法也存在一些缺点，如无法得到大面积薄膜、重复性不

电子科技大学硕士学位论文2）液相剥离法：将 TMDCs 粉末分散在有机溶剂或者有机溶剂的混合甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、异丙醇、二甲基甲酰胺(DMF)、丁内酯等，辅助，可以大量地制备 TMDCs 纳米片，之后通过离心等操作，可以大小的纳米片进行初步分离，便于后续使用[2, 6, 32, 42-47]。另外，通过，可以提高制备材料的效率和质量，如图 1-3 所示，将金属 Li 片作为 TMDCs 作为阴极，液体环境中通过加电压，有助于使 Li+进入 TM，之后通过超声作用，可以将块体 TMDCs 剥离成纳米片。其中的方面的作用：一方面，嵌入的 Li+可以扩大 TMDCs 层间的间距，有德瓦尔斯力；另一方面，Li+在放电的过程中可以与水反应生成 LiOH以将相邻的两层 TMDCs 推开，有利于形成二维材料。与机械剥离离纳米片的方法可以大量制备 TMDCs 二维材料，便于通过旋涂等工备，适用于电池、光解水等领域。但该方法也存在一定的缺点，如利于大面积制备等，不适用基于微细加工技术的高性能电子器件等领
【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 ;大连理工大学在宽带光探测器研究上取得新进展[J];红外;2017年07期

2 杨维;高云国;王林波;;基于近似模型的可见光探测器结构轻量化设计[J];激光与红外;2015年03期

3 Norm Schiller;汽车设计用光探测器的选择[J];电子产品世界;2005年12期

4 ;光探测器与光学系统[J];电子科技文摘;2000年02期

5 杨妹清;超高速光探测器的现状[J];光机电信息;1997年08期

6 高凯平;;高速Ga0.47In0.53AsMISIM光探测器[J];发光快报;1990年04期

7 YouichiEnomoto;苏吉儒;;用钡铅铋氧化物超导薄膜制成的光探测器[J];红外技术;1988年06期

8 杨维;高云国;于萍;;交变力作用下的可见光探测器结构设计[J];计算机仿真;2015年03期

9 臧鸽;黄永清;骆扬;段晓峰;任晓敏;;高速高饱和单行载流子光探测器的设计与分析[J];物理学报;2014年20期

10 ;雪崩光探测器的研究新进展[J];光机电信息;2011年07期

相关博士学位论文 前10条

1 陈庆涛;光通信系统中新型单行载流子光探测器的研究[D];北京邮电大学;2018年

2 苗昂;InP基PIN光探测器＋HBT单片集成光接收机前端的研究[D];北京邮电大学;2008年

3 陈海波;基于环形腔结构的波长选择光探测器及激光器的研究[D];北京邮电大学;2008年

4 姚辰;高速光探测器的关键技术[D];北京邮电大学;2013年

5 胡服全;基于微纳结构高性能光探测器的研究[D];北京邮电大学;2013年

6 韩滔;银纳米粒子电学效应及其在有机光探测器件中的应用研究[D];华南理工大学;2017年

7 杜永刚;碳基气体传感器的设计与制备[D];中国石油大学(华东);2014年

8 刘凤敏;SnO_2及其复合氧化物气体传感器的修饰改性研究[D];吉林大学;2005年

9 魏广芬;基于微热板式气体传感器的混合气体检测及分析[D];大连理工大学;2006年

10 刘艳丽;低维半导体氧化物的合成及气体传感器的研制[D];湖南大学;2005年

相关硕士学位论文 前10条

1 郭华阳;超薄过渡金属硫化物气敏光敏传感器件研究[D];电子科技大学;2017年

2 贾飞翔;智能薄膜光探测器的研究[D];合肥工业大学;2017年

3 杨抒臻;有机/无机杂化钙钛矿材料的制备及光探测器应用[D];湖南大学;2017年

4 孙健焜;甲脒基钙钛矿和少铅钙钛矿单晶的生长及光探测器的应用[D];陕西师范大学;2017年

5 杨维;模块化大温变可见光探测器结构轻量化设计[D];中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所);2014年

6 贺达敏;光通信中高性能光探测器的性能分析及其测试方法的研究[D];北京邮电大学;2013年

7 颜强;高性能光探测器设计与性能测量研究[D];北京邮电大学;2012年

8 王莉;用于波分复用系统中具有平顶陡边响应的光探测器的研究[D];北京邮电大学;2011年

9 冯雷;两性离子界面修饰的高增益有机光探测器研究[D];哈尔滨工业大学;2017年

10 康超;光通信中的新型部分耗尽吸收光探测器的研究[D];北京邮电大学;2016年

本文编号：2876905