二维硫族化合物半导体的可控制备及其光电子特性研究

发布时间：2020-06-10 01:20

【摘要】：近年来,由于集成电路工艺的发展使得芯片的特征尺寸越做越小,致使器件的集成度越来越高,各种量子效应问题也逐渐涌现,导致传统半导体材料的集成电路工程面临巨大的瓶颈,多年以来,人们为了解决这一问题,一直努力致力于寻找新型材料。自2004年,科学家们首次利用机械剥离技术从石墨中成功制备出原子级厚度的二维材料-单层石墨烯,这一突破进展,开启了二维材料的研究大门,同时极大地激发了人们对于其他二维原子晶体的巨大研究兴趣。单层石墨烯虽然具有诸多优良的热学、力学和电学性质,但是其没有带隙,二层以上的有小带隙,这严重限制了其在光电器件领域的应用。通过研究人员的不懈努力,已经通过物理剥离、化学外延等方法,成功合成新型二维过渡金属硫化物,例如硫化镓,二硫化钼和二硫化钨等。相比于石墨烯而言,新型过渡金属硫化物保持了石墨烯的高迁移率的特征,同时该类材料具有能带宽度,这克服了石墨烯无带隙带来的诸多问题,使得其在未来的电子,信息,能源等领域具有巨大的应用潜力。为了进一步发掘新型过渡金属硫化物的的潜在应用,有必要进一步研究该类二维过渡金属硫化物的光电特性。光谱学方法是一种通过对半导体材料进行光学测试,从而获得材料光学带隙、电子跃迁、声子振动、光学常数等重要光学信息的一种强大的非破坏性探测手段。通过对于这些光学性质的分析,可以获得材料的结晶质量、电子跃迁、以及能带结构等特征。在本硕士论文中,我们通过光谱学的手段对于二硫化钼、二硫化钨等过渡金属硫化物进行光学表征,并分析了其光学性质,本文的主要研究内容以及创新之处包括以下几点:(1).研究了S掺杂对于GaSe_(1-x)S_x单晶折射率、消光系数、吸收系数、以及电子带间跃迁和能带结构的影响。并结合第一性原理,从理论及实验上研究了S掺杂对于GaSe单晶能带结构向GaS单晶能带结构过渡过程中光学性质变化规律。通过常温椭圆偏振光谱实验结合第一性原理计算系统地研究了利用斯托克斯布里奇曼(Bridgman-Stockbarger)方法生长的不同硫(S)组分的GaSe_(1-x)S_x(x=0,0.133和0.439)单晶的电子跃迁和能带结构变化情况。通过对于不同S含量的GaSe_(1-x)S_x单晶复介电函数的二阶导数进行标准线形拟合得到五个带间电子跃迁(E_1,E_2,E_3,E_4,和E_5),研究发现随着S含量的增加,E_2,E_3,E_4临界能量均有变大的趋势。分析不同S组分对应的GaSe_(1-x)S_x(x=0,0.133和0.439)单晶的吸收光谱,发现随着S组分的增加,GaSe_(1-x)S_x吸收系数变小,且每个吸收峰位置出现蓝移趋势。结合第一性原理,从理论与实验上分析,发现GaSe_(1-x)-x S_x单晶的禁带宽度随S含量的增加逐渐变大。对于这种变化引起的原因,我们做出如下解释:由于S原子掺杂到GaSe_(1-x)S_x单晶中,使得S原子取代Se原子的位置,改变单晶的电子结构以及导带和价带能级的位置,从而使得禁带宽度随S掺杂出现变大的趋势。(2).通过拉曼散射和PL散射光谱的方法研究了黑磷/二硫化钼((Black Phosphorus/MoS_2)BP/MoS_2)异质结的声子振动模式以及光致发光特性随温度的变化情况。同时,通过改变偏振片的放置方向,研究了常温下不同偏振角度对于BP/MoS_2异质结晶格振动模式以及光致发光特性的影响。此外,我们还研究了常温下BP/MoS_2的声子振动模式随样品厚度的变化趋势。通过变温的拉曼(Raman)散射光谱以及光致发光(PL)谱的光学研究手段,分析了BP/MoS_2异质结的晶格振动模式和电子跃迁随温度的变化情况。研究发现,BP与MoS_2堆叠良好,使得BP/MoS_2的晶格振动模式包含了独立BP与MoS_2的所有声子振动模式,且随着温度升高,BP,MoS_2与BP/MoS_2的拉曼峰位置发生轻微的红移现象。对于MoS_2和BP/MoS_2的光致发光特性随温度的变化进行分析,发现温度从200 K升高至500 K,MoS_2的PL峰位置从664 nm移动到686nm,BP/MoS_2的PL峰位置从664 nm变化到693 nm,且光致发光峰强度变弱。除了研究温度对其影响,我们还在实验过程中,改变偏振片的放置位置,发现水平-垂直方向放置时,偏振片对于样品拉曼峰有过滤作用,同时对于光致发光峰的强度有增强作用。对于不同厚度的BP/MoS_2的声子散射模式分析,发现BP与MoS_2厚度越薄,二者的堆叠程度越好。(3).详细介绍了化学气相沉积方法(CVD)制备单层MoS_2和WS_2的过程,并通过变温拉曼散射光谱和PL光谱测试,研究了温度变化对于单层MoS_2和WS_2的晶格振动模式与光致发光特征的影响。通过化学气相沉积(CVD)方法成功制备出少层MoS_2和WS_2,并通过拉曼(Raman)散射光谱以及光致发光(PL)光谱技术,分析了温度变化对于单层MoS_2和WS_2声子模式和带间跃迁的影响。我们发现MoS_2和WS_2的拉曼峰的强度均随温度升高变弱,且波峰的位置出现红移现象。对于其光致发光特性图谱分析发现,温度从175 K变化到600 K,MoS_2的光致发光峰位置从670 nm轻微移动到671nm;WS_2的光致发光峰位置从628 nm变化到686 nm。二者均向波长增大的方向移动,即禁带宽度变小,这种现象可以从以下两个方面进行解释,其一是热膨胀,即温度导致晶格常数的变化,从而引起能带结构的变化或能带边缘的移动;另一方面是由于温度变化引起晶格振动状态的变化,即声子激发状态的变化,从而导致电子-声子的耦合及其对能带产生轻微的变化。
【图文】：

柔性衬底,柔性,电子器件,单晶

科技日益发展，柔性器件的出现为人类的生活提供了诸多便利，这使得其在人类生活应用中变得越来越重要，需求也与日俱增。科研人员将 GaSe单晶转移到柔性云母基片上，制备成柔性光电器件，研究结果证实该材料制备的图 1.2 GaSe 单晶在柔性衬底上制备的柔性电子器件[3]。

层状材料,二维

他特性的基础上，因此，对于石墨烯零带隙缺陷的改性，成为研究石墨烯在光电器件方面应用的瓶颈，这激发科研人员努力去研究发现更多新型的二维材料，如图1.1中列出了新型二维层状材料的分类。研究表明与石墨烯性质相似的二维过渡金属硫化物如二硫化钼(MoS2)，二硫化钨(WS2)等，具有一些优异于石墨烯的半导体性质，，而使之成为当今材料研究的另一个热点。二维过渡金属硫化物具有MX2形式的结构通式，通式中金属族元素用字母M表示，硫族元素用X表示，层内金属元素和硫元素之间以共价键的形式结合，形成类三明治结构X-M-X。对于层与层之间的结合方式
【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN304

【参考文献】