液态金、载流气体作用下二维WS 2 薄膜的生长机理及其蒸发模式的差异
发布时间：2021-11-20 14:09
近年来,二维层状材料由于其独特的性能受到全世界的广泛关注。二维过渡金属硫族化合物（TMDs）和零带隙的石墨烯不同,绝大部分TMDs厚度减为一层时属于直接带隙半导体材料,其中WS2更是由于其高电导率、高载流子迁移率等优势在光电子器件领域有较大的应用前景。制备方法影响着薄膜形貌、性质等参数,因此选用合适的制备方法就显得尤为重要。作为CVD法的一种扩充方法,液态金属调控法生长出的薄膜有着非常新颖的现象,但是使用该方法可控地生长薄膜仍然存在非常多的挑战。本文在液态金、载流气体的作用下生长二维WS2材料,分析了各生长参数对于二维结构生长、结构形貌的影响,研究了两种不同形貌二维WS2材料在不同退火参数下的蒸发模式差异。主要研究内容包括:首先,在液态Au的作用下成功在SiO2（300 nm）/Si衬底表面制备得到WS2薄膜,分析了四个生长参数（Au箔状态,Au箔融化时间,生长温度,W源选择）如何影响薄膜的生长。结果表明,液态Au对W有着很强的吸附作用,因此在制备吸附W的基片阶段,液态Au会吸...
【文章来源】：南京邮电大学江苏省
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【图文】：
机械剥离法制备石墨烯示意图[20]
毕萆佟５?腔?蛋?敕ǖ娜钡?也十分明显，剥离过程中对薄膜的撕扯作用不可控，制备出的薄膜尺寸也就不可控。同时，该方法制备的薄膜面积小，层数不可控，产量低，不能大规模地制备生产，也就不能满足工业应用的需求。1.2.2吹胶法通常来说，常规的薄膜制备方法无法兼顾液相法（方法可行性、薄膜均一性、批量生产）和气相法（高薄膜质量、大横向尺寸）的优势，而DongWang[17]等人受到中国糖画吹制艺术的启发，提出了一种“吹胶法”，该方法通过短时间内热膨胀形成的粘性凝胶前驱来大规模生产二维非分层纳米片，制备方法如图1.2所示。首先，通过柠檬酸和乙二醇在金属离子的作用下发生酯化交联反应制备出凝胶前驱，在退火过程中凝胶前驱体释放大量气体并且体积膨胀。然后，通过快速退火，可以有效地将二维纳米片吹入凝胶中，最终形成大规模的薄膜。图1.2吹胶法二维纳米片合成示意图（a）前驱材料和快速退火过程示意图（b）前驱材料和相对于的产物的光显图（c）大量制备的产品的光显图[17]通过此方法制备的二维纳米片没有杂质，更重要的是，这种方法同时具有液相法、气相法的优势，可以同时产生具有高均一性、纳米级厚度、大横向尺寸（最大可达数百微米）的二维薄膜。该方法制备出的薄膜表现出优异电化学性能，适用于碱离子电池和电催化[21-24]等领域，该方法最大的优势在于其经济性、快速性（大约一分钟）、大规模制备的能力。同时，该方法的缺点也非常明显，虽说制备的薄膜尺寸可以达到数百微米，但是薄膜会有非常多的
南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论3孔洞，就算是在纳米量级，薄膜上也会有非常多的点状杂质。总之，该方法最大的缺点就是制备出的薄膜品质差，远不及CVD法。1.2.3化学气相沉积法化学气相沉积法（chemicalvapordeposition,CVD）首先将前驱体蒸发成气态，通过载流气体将气态材料输送到固态衬底表面进行反应，并最终生长得到薄膜，通常来说CVD的生长过程主要包含如图1.3所示两种：气相前驱体直接在基片上反应生成薄膜；首先在基片上形成一些成核点，然后气相前驱体在成核点周围聚集生长得到薄膜，这样得到的薄膜的中心会有明显的小点。图1.3CVD方法下薄膜生长过程[25]自CVD方法出现至今，人们从气压、生长温度、生长时间、前驱体质量、载流气体大小等各个方面对其进行研究，并在各种衬底上生长出薄膜。相较于其他生长方法，CVD方法能够生长出大范围、大面积、高质量的薄膜；但同时，CVD方法也存在反应温度高、沉积速度慢、产量低、管壁吸附前驱体原子等问题需要解决。液态金属调控法是CVD法的一种扩充，一般来说是在基片上放置一定量的金属（主要是Au）并加热使之融化，再将温度降低到适宜薄膜生长的范围来生长薄膜。金属融化后能够溶解大量前驱体原子，并在降温过程中析出一部分前驱体原子。同时，融化后的金属对于气态
本文编号：3507489
【文章来源】：南京邮电大学江苏省
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【图文】：
机械剥离法制备石墨烯示意图[20]
毕萆佟５?腔?蛋?敕ǖ娜钡?也十分明显，剥离过程中对薄膜的撕扯作用不可控，制备出的薄膜尺寸也就不可控。同时，该方法制备的薄膜面积小，层数不可控，产量低，不能大规模地制备生产，也就不能满足工业应用的需求。1.2.2吹胶法通常来说，常规的薄膜制备方法无法兼顾液相法（方法可行性、薄膜均一性、批量生产）和气相法（高薄膜质量、大横向尺寸）的优势，而DongWang[17]等人受到中国糖画吹制艺术的启发，提出了一种“吹胶法”，该方法通过短时间内热膨胀形成的粘性凝胶前驱来大规模生产二维非分层纳米片，制备方法如图1.2所示。首先，通过柠檬酸和乙二醇在金属离子的作用下发生酯化交联反应制备出凝胶前驱，在退火过程中凝胶前驱体释放大量气体并且体积膨胀。然后，通过快速退火，可以有效地将二维纳米片吹入凝胶中，最终形成大规模的薄膜。图1.2吹胶法二维纳米片合成示意图（a）前驱材料和快速退火过程示意图（b）前驱材料和相对于的产物的光显图（c）大量制备的产品的光显图[17]通过此方法制备的二维纳米片没有杂质，更重要的是，这种方法同时具有液相法、气相法的优势，可以同时产生具有高均一性、纳米级厚度、大横向尺寸（最大可达数百微米）的二维薄膜。该方法制备出的薄膜表现出优异电化学性能，适用于碱离子电池和电催化[21-24]等领域，该方法最大的优势在于其经济性、快速性（大约一分钟）、大规模制备的能力。同时，该方法的缺点也非常明显，虽说制备的薄膜尺寸可以达到数百微米，但是薄膜会有非常多的
南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论3孔洞，就算是在纳米量级，薄膜上也会有非常多的点状杂质。总之，该方法最大的缺点就是制备出的薄膜品质差，远不及CVD法。1.2.3化学气相沉积法化学气相沉积法（chemicalvapordeposition,CVD）首先将前驱体蒸发成气态，通过载流气体将气态材料输送到固态衬底表面进行反应，并最终生长得到薄膜，通常来说CVD的生长过程主要包含如图1.3所示两种：气相前驱体直接在基片上反应生成薄膜；首先在基片上形成一些成核点，然后气相前驱体在成核点周围聚集生长得到薄膜，这样得到的薄膜的中心会有明显的小点。图1.3CVD方法下薄膜生长过程[25]自CVD方法出现至今，人们从气压、生长温度、生长时间、前驱体质量、载流气体大小等各个方面对其进行研究，并在各种衬底上生长出薄膜。相较于其他生长方法，CVD方法能够生长出大范围、大面积、高质量的薄膜；但同时，CVD方法也存在反应温度高、沉积速度慢、产量低、管壁吸附前驱体原子等问题需要解决。液态金属调控法是CVD法的一种扩充，一般来说是在基片上放置一定量的金属（主要是Au）并加热使之融化，再将温度降低到适宜薄膜生长的范围来生长薄膜。金属融化后能够溶解大量前驱体原子，并在降温过程中析出一部分前驱体原子。同时，融化后的金属对于气态
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