二硫化铂在高压下的物性研究
发布时间：2020-06-04 16:33
【摘要】：在低维物理系统中,二维材料以其独特的层状结构、优异的物理化学性能和广阔的潜在应用前景,引起了广大科研工作者的研究兴趣,近年来许多二维材料新体系及其新现象、新性质相继被发现。其中,二维层状过渡金属硫族化合物(MXn,M为过渡金属,X=S,Se,Te)因其丰富的元素组成和特别的电子结构,展现出独特的物理和化学性质,在光电子器件、能量转化等方面都有着潜在的应用价值,成为光电研究领域的新热点。过渡金属硫族化合物具有独特的准二维特性。已有的研究表明,通过调节晶格结构及改变元素组成,可以实现对其能带结构的有效调控,从而改善和提高过渡金属硫族化合物的物理化学性能。常用的能带结构调控方法包括:改变化合物的层数,在层与层之间嵌入不同的碱金属原子或过渡金属原子,施加压力或外部电场、磁场等。其中,外加压力是一种干净有效的调控材料结构的手段,可以有效避免因元素掺杂引起的空位、填隙原子等晶格缺陷干扰,因此是一种理想的材料性能研究手段。在过渡金属硫族化合物中,PtS_2具有较高的载流子迁移率和可调的带隙结构,而且理论计算表明,在外加压力的条件下可以实现其带隙由间接向直接的转变。因此,本文选择PtS_2为研究对象,在制备高质量PtS_2单晶的基础上,系统研究了外加压力对PtS_2结构以及光电性质的影响。论文取得以下主要研究结果:1.以磷做输运剂,通过气相输运法成功制备出高质量的PtS_2单晶。2.利用同步辐射X射线衍射实验研究了压力对PtS_2结构的影响。随着压力增加,PtS_2的晶格常数持续减小,但X射线衍射谱没有发生峰的劈裂或者出现新的衍射峰,表明压力导致材料压缩,但没有发生结构相变。3.利用拉曼光谱研究了压力对PtS_2振动模式的影响。无论是否施加压力,PtS_2的主要振动模式均表现为S原子的面内振动模式Eg和面外振动模式A1g。随着压力增加,峰位单调蓝移,再次证明了压力导致材料压缩,但没有发生结构相变。4.利用电输运测试研究了压力对PtS_2光电性质的影响。随着压力增加,电阻减小,实现了PtS_2的能带结构由间接到直接带隙和半导体到导体的转变。外加压力在1-3 GPa范围变化时,光电流随压力没有出现明显变化;外加压力在3-4 GPa范围变化时,光电流快速增加,直至常压时的6倍,载流子光激发效率的迅速提高表明材料在较高压力下发生了由间接带隙到直接带隙的转变;外加压力在4-6.4 GPa范围内变化时,光电流逐渐减小直至变为零,表明外加高压导致了材料实现了半导体—金属转变。总之,最终结果表明,PtS_2在高压下结构稳定,施加适当范围的压力可以提高PtS_2的光电流,提高其光电性质。这为未来提高光电器件的性能提供了一种新的思路与方法,对光电器件的发展具有很好的借鉴意义。
【图文】：
1.1 二维材料层状材料存在已有千年，被系统地研究也已有 150 多年的历史了[1]，研究发现当层数减少到一定程度时材料的物理特性会受到某些限制，展现出与体材料或厚层材料截然不同的性质，而这种受到二维物性限制的材料被称为二维层状材料。2004 年，英国曼彻斯特大学的俄罗斯物理学家 Konstantin Novoselov 和Andre Geim 通过机械剥离法得到了仅由一层碳原子构成的石墨烯[2]，并于 2005年首次提出二维原子晶体（Two-dimensional atomic crystals）这个概念来描述石墨烯和类石墨烯的二维结构。石墨烯是人类得到的第一种可以稳定存在的二维材料，它的出现立即震撼了凝聚态物理界，掀起了一股新的研究热潮。图 1.1 展示了石墨烯的几何结构和能带结构示意图，由图可以看出石墨烯是由碳原子形成的蜂巢晶格结构排列构成的单层二维晶体，可以认为是所有 sp2轨道杂化的碳的同素异性体的集成[3]。图 1.1（b）给出了石墨烯的能带结构示意图，从图中可以看出价带被电子占满，导带被空穴占满，导带和价带在第一布里渊区边界的 K点相连[4]，很明显石墨烯是零带隙结构。
图 1.2 硅烯的结构示意图当然，，黑磷也因为其独特的性能受到了大家的关注。黑磷是单原子结构，利用不同的计算方法得到的单层黑磷的带隙大小也不同（如图 1.3 中（c）），主要集中在 0.9 eV 到 1.5 eV 之间，而且随着层数的增加带隙逐渐减少，厚层带隙大约为 0.3 eV，但无论是单层还是厚层，黑磷的带隙都为直接带隙[13-15]。而且目前已知的单层黑磷在室温下的迁移率是 286 cm2/Vs，体材料的黑磷在室温下的迁移率约为 1000 cm2/Vs，低温下能达到 15000 cm2/Vs，因此黑磷被认为是光电材料的后备军。但是由于黑磷在室温环境下不稳定，很容易分解，因此距离黑磷能够应用于光电子领域的目标还有很长的一段路要走。
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O521.2
本文编号：2696661
【图文】：
1.1 二维材料层状材料存在已有千年，被系统地研究也已有 150 多年的历史了[1]，研究发现当层数减少到一定程度时材料的物理特性会受到某些限制，展现出与体材料或厚层材料截然不同的性质，而这种受到二维物性限制的材料被称为二维层状材料。2004 年，英国曼彻斯特大学的俄罗斯物理学家 Konstantin Novoselov 和Andre Geim 通过机械剥离法得到了仅由一层碳原子构成的石墨烯[2]，并于 2005年首次提出二维原子晶体（Two-dimensional atomic crystals）这个概念来描述石墨烯和类石墨烯的二维结构。石墨烯是人类得到的第一种可以稳定存在的二维材料，它的出现立即震撼了凝聚态物理界，掀起了一股新的研究热潮。图 1.1 展示了石墨烯的几何结构和能带结构示意图，由图可以看出石墨烯是由碳原子形成的蜂巢晶格结构排列构成的单层二维晶体，可以认为是所有 sp2轨道杂化的碳的同素异性体的集成[3]。图 1.1（b）给出了石墨烯的能带结构示意图，从图中可以看出价带被电子占满，导带被空穴占满，导带和价带在第一布里渊区边界的 K点相连[4]，很明显石墨烯是零带隙结构。
图 1.2 硅烯的结构示意图当然，，黑磷也因为其独特的性能受到了大家的关注。黑磷是单原子结构，利用不同的计算方法得到的单层黑磷的带隙大小也不同（如图 1.3 中（c）），主要集中在 0.9 eV 到 1.5 eV 之间，而且随着层数的增加带隙逐渐减少，厚层带隙大约为 0.3 eV，但无论是单层还是厚层，黑磷的带隙都为直接带隙[13-15]。而且目前已知的单层黑磷在室温下的迁移率是 286 cm2/Vs，体材料的黑磷在室温下的迁移率约为 1000 cm2/Vs，低温下能达到 15000 cm2/Vs，因此黑磷被认为是光电材料的后备军。但是由于黑磷在室温环境下不稳定，很容易分解，因此距离黑磷能够应用于光电子领域的目标还有很长的一段路要走。
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O521.2
【参考文献】
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1 周朝迅;廖源;周献亮;余庆选;董振超;;不同衬底对单层二硫化钼光学性质的影响研究[J];低温物理学报;2015年06期
2 汤鹏;肖坚坚;郑超;王石;陈润锋;;类石墨烯二硫化钼及其在光电子器件上的应用[J];物理化学学报;2013年04期
3 顾正彬;季根华;卢明辉;;二维碳材料——石墨烯研究进展[J];南京工业大学学报(自然科学版);2010年03期
4 傅强;包信和;;石墨烯的化学研究进展[J];科学通报;2009年18期
本文编号：2696661
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