大面积二维二硫化钼的制备与光电性能及其应变效应研究
发布时间：2021-02-16 17:21
近年来,类石墨烯二维材料的研究和应用得到了蓬勃的发展,成为最有可能替代硅基材料的新型半导体。在众多的材料中,单层的MoS2材料具有1.90eV左右的直接带隙,展现出特殊的物理化学性质,引起了众多的研究者投身于对它的研究中,如制备方法、能带结构、光电性能、传感性能、界面效应、催化性能等。广泛的研究证明二维MoS2在晶体管、光电探测器、传感器、电池等方向都具有着极大的应用前景。本论文结合类石墨烯二硫化钼的研究现状以及范德瓦尔斯异质结的发展前景,重点对大面积、高质量、连续二维MoS2薄膜的制备及其薄膜生长的机理、热膨胀应变对二维MoS2能带结构和光电性能的影响、基于MoS2的超薄异质结等方面开展研究。本论文的主要结论和创新点如下:一、成功实现单层二维MoS2薄膜的大面积制备:高质量大面积的MoS2单层薄膜的可控制备是进一步应用和开发的基础和前提,高品质样品不仅可以用于探索其新颖的物理现象和优异性能,而且能开发其电子、光电子等诸多领域的应用潜力。气相沉积方法是其中一种非常有发展前景的制备方法,采用该方法能够获得大面积、高质量二维材料纳米片。在气相沉积制备二维MoS2的过程中,气体的流量以及衬底...
【文章来源】：湘潭大学湖南省
【文章页数】：100 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１元素周期表中二维材料的体系：ｌ５：??（１）石墨烯??
?湘渖人ｆ盹丨：毕收论文???于石墨烯中的碳元素核磁矩小，自旋轨道作用弱，因此也被认为是有潜力的自旋电??子学材料??Ｍｏｎｏｌａｙｅｒ?Ｇｒａｐｈｅｎｅ??涵讀參??Ｍｕｌｂｌａｙｅｒ?Ｇｒａｐｈｅｎｅ?Ｃａｒｂｏｎ?Ｎａｎｏｔｕｂｅ?ＢｕｄｃｙｂａＨ??图１．２石墨烯以及基于石墨烯的其它结构：多层石墨、碳纳米管、富勒烯１２５１??因此，石墨烯具有十分广泛的应用范围，比如单分子气体探测，石墨烯的超大??表面积让它对一个气体分子的吸附和释放都可以检测得到１２Ｍ７｜；石墨烯的高导电率、??高热导率等使石墨烯有望替代金属铜成为集成电路互联材料；石墨烯的高表面面积??对质量比例，能应用在超级电容器的导电电极上，并有望得到大于现有电容器的能??量密度研究者们对石墨烯的研究极大的促进了二维材料方法的发展，其中包??括其它二维材料的制备、转移、测试和表征，同时还有大量基于第一性计算原理的??理论研宄如电子结构、电荷转移、应变、量子霍尔效应、自旋电子学等等。??尽管石墨烯己然成为科学界的一颗闪亮的新星，它的研宂还存在着一些挑战。??臂如它的本征能带结构没有带隙，这意味着以石墨烯为基础制备的场效应晶体管开??关比很低，这很大程度上限制了石墨烯在光电领域的应用。研究者们尝试使用各种??方法来给石墨烯引入带隙，比如引入参杂或缺陷、引入量子限制、化学吸附、化学??功能化或者施加应力、引入电尝自旋－轨道耦合效应等等。但这个方面的研究在不??破坏石墨烯晶格，保留其原有的优异性质方面仍然需要更大的努力。因此，科学家??们致力于寻找能够弥补石墨烯的缺陷甚至能够超越石墨烯的其它二维材料，能够使??其应用到光电子器件中去。??（２）二维
?湘潭大学博ｉ：毕业论义???化，如图１．３所示，层内的Ｂ和Ｎ原子通过较强的共价键相结合，相邻层则以弱的??范德瓦尔斯力相结合与石墨烯相比，单层ｈ－ＢＮ的带隙宽至５．９７ｅＶ，作为绝??缘体，其导电性和导热性较差，然而由于其层状结构，又具有极好的绝缘性、高温??介电性、润滑性与耐腐蚀性，在电子、分子探测器、隔热材料、半导体等领域有着??一定的应用潜力［３１＿３４］。在最新的研宄中，研宄者们将二维六角氮化硼与石墨烯制备??成范德瓦尔斯异质结，使石墨烯的热电子与六角氮化硼的声子极化激子耦合，有效??地带走了产生的热量，这对电子与光电子原件的散热以及热导的传递有着十分关键??的作用［３５１。??？?２．５２?Ａ??〕Ｂｏｒｏｎ?？Ｎｉｔｒｏｇｅｎ??图１．３二维六角氮化硼的晶体结构［３Ｑ１??（３）二维过渡金属硫族化合物??过渡金属硫族化合物是由元素周期表中ＩＶＢ族到ＶＩＩＢ族的过渡金属，如钛（Ｔｉ）、??铌（Ｎｂ）、钼（Ｍｏ）、钨（Ｗ）等与硫族元素硫（Ｓ）、砸（Ｓｅ）、碲（Ｔｅ）相结合所??形成的化合物。过渡金属硫族化合物涵盖了多种电子能带结构，包括绝缘体（如ＨｆＳ２）、??金属（ＶＳｅ２、ＮｂＳｅ２、ＮｂＳ２等）、半导体（ＭｏＳ２、ＭｏＳｅ２、ＷＳ２、ＷＳｅ２等）等，丰富??的性能弥补了石墨烯没有带隙的缺陷，而且大部分的过渡金属硫族化合物的能带结??构能够随着层数的改变而变化，当材料变为单层时，能带结构会从间接带隙转为直??接带隙，这使得它们在光电领域有着得天独厚的优势。??二维过渡金属硫族化合物的结构如图１．４所示，通常来说，材料的每一层结构??是由上下两个硫族原子Ｘ与中间一层过渡金属Ｍ所构成，与三明治结构
【参考文献】：
期刊论文
[1]Chemical vapor deposition growth of two-dimensional heterojunctions[J]. Yu Cui,Bo Li,JingBo Li,ZhongMing Wei. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2018(01)
[2]二维辉钼材料及器件研究进展[J]. 赖占平. 物理学报. 2013(05)
[3]纳米MoS2的制备及应用[J]. 马兴科,郭新江,张阔. 平顶山学院学报. 2012(05)
[4]应变对单层二硫化钼能带影响的第一性原理研究[J]. 吴木生,徐波,刘刚,欧阳楚英. 物理学报. 2012(22)
博士论文
[1]二硫化钼二维材料及其异质结的制备和光电特性研究[D]. 张克难.中国科学院研究生院(上海技术物理研究所) 2016
[2]二硫化钼纳米片及量子点的制备与性能研究[D]. 乔文.南京大学 2016
本文编号：3036679
【文章来源】：湘潭大学湖南省
【文章页数】：100 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１元素周期表中二维材料的体系：ｌ５：??（１）石墨烯??
?湘渖人ｆ盹丨：毕收论文???于石墨烯中的碳元素核磁矩小，自旋轨道作用弱，因此也被认为是有潜力的自旋电??子学材料??Ｍｏｎｏｌａｙｅｒ?Ｇｒａｐｈｅｎｅ??涵讀參??Ｍｕｌｂｌａｙｅｒ?Ｇｒａｐｈｅｎｅ?Ｃａｒｂｏｎ?Ｎａｎｏｔｕｂｅ?ＢｕｄｃｙｂａＨ??图１．２石墨烯以及基于石墨烯的其它结构：多层石墨、碳纳米管、富勒烯１２５１??因此，石墨烯具有十分广泛的应用范围，比如单分子气体探测，石墨烯的超大??表面积让它对一个气体分子的吸附和释放都可以检测得到１２Ｍ７｜；石墨烯的高导电率、??高热导率等使石墨烯有望替代金属铜成为集成电路互联材料；石墨烯的高表面面积??对质量比例，能应用在超级电容器的导电电极上，并有望得到大于现有电容器的能??量密度研究者们对石墨烯的研究极大的促进了二维材料方法的发展，其中包??括其它二维材料的制备、转移、测试和表征，同时还有大量基于第一性计算原理的??理论研宄如电子结构、电荷转移、应变、量子霍尔效应、自旋电子学等等。??尽管石墨烯己然成为科学界的一颗闪亮的新星，它的研宂还存在着一些挑战。??臂如它的本征能带结构没有带隙，这意味着以石墨烯为基础制备的场效应晶体管开??关比很低，这很大程度上限制了石墨烯在光电领域的应用。研究者们尝试使用各种??方法来给石墨烯引入带隙，比如引入参杂或缺陷、引入量子限制、化学吸附、化学??功能化或者施加应力、引入电尝自旋－轨道耦合效应等等。但这个方面的研究在不??破坏石墨烯晶格，保留其原有的优异性质方面仍然需要更大的努力。因此，科学家??们致力于寻找能够弥补石墨烯的缺陷甚至能够超越石墨烯的其它二维材料，能够使??其应用到光电子器件中去。??（２）二维
?湘潭大学博ｉ：毕业论义???化，如图１．３所示，层内的Ｂ和Ｎ原子通过较强的共价键相结合，相邻层则以弱的??范德瓦尔斯力相结合与石墨烯相比，单层ｈ－ＢＮ的带隙宽至５．９７ｅＶ，作为绝??缘体，其导电性和导热性较差，然而由于其层状结构，又具有极好的绝缘性、高温??介电性、润滑性与耐腐蚀性，在电子、分子探测器、隔热材料、半导体等领域有着??一定的应用潜力［３１＿３４］。在最新的研宄中，研宄者们将二维六角氮化硼与石墨烯制备??成范德瓦尔斯异质结，使石墨烯的热电子与六角氮化硼的声子极化激子耦合，有效??地带走了产生的热量，这对电子与光电子原件的散热以及热导的传递有着十分关键??的作用［３５１。??？?２．５２?Ａ??〕Ｂｏｒｏｎ?？Ｎｉｔｒｏｇｅｎ??图１．３二维六角氮化硼的晶体结构［３Ｑ１??（３）二维过渡金属硫族化合物??过渡金属硫族化合物是由元素周期表中ＩＶＢ族到ＶＩＩＢ族的过渡金属，如钛（Ｔｉ）、??铌（Ｎｂ）、钼（Ｍｏ）、钨（Ｗ）等与硫族元素硫（Ｓ）、砸（Ｓｅ）、碲（Ｔｅ）相结合所??形成的化合物。过渡金属硫族化合物涵盖了多种电子能带结构，包括绝缘体（如ＨｆＳ２）、??金属（ＶＳｅ２、ＮｂＳｅ２、ＮｂＳ２等）、半导体（ＭｏＳ２、ＭｏＳｅ２、ＷＳ２、ＷＳｅ２等）等，丰富??的性能弥补了石墨烯没有带隙的缺陷，而且大部分的过渡金属硫族化合物的能带结??构能够随着层数的改变而变化，当材料变为单层时，能带结构会从间接带隙转为直??接带隙，这使得它们在光电领域有着得天独厚的优势。??二维过渡金属硫族化合物的结构如图１．４所示，通常来说，材料的每一层结构??是由上下两个硫族原子Ｘ与中间一层过渡金属Ｍ所构成，与三明治结构
【参考文献】：
期刊论文
[1]Chemical vapor deposition growth of two-dimensional heterojunctions[J]. Yu Cui,Bo Li,JingBo Li,ZhongMing Wei. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2018(01)
[2]二维辉钼材料及器件研究进展[J]. 赖占平. 物理学报. 2013(05)
[3]纳米MoS2的制备及应用[J]. 马兴科,郭新江,张阔. 平顶山学院学报. 2012(05)
[4]应变对单层二硫化钼能带影响的第一性原理研究[J]. 吴木生,徐波,刘刚,欧阳楚英. 物理学报. 2012(22)
博士论文
[1]二硫化钼二维材料及其异质结的制备和光电特性研究[D]. 张克难.中国科学院研究生院(上海技术物理研究所) 2016
[2]二硫化钼纳米片及量子点的制备与性能研究[D]. 乔文.南京大学 2016
本文编号：3036679
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