单层WS 2 激子辐射的全光学可逆调控
发布时间：2021-12-16 19:50
过渡金属硫化物二维材料（Transition metal dichalcogenides,TMDs,如Mo S2,WS2等）因其新奇的物理化学特性,如显著的量子限制效应、室温下稳定的层内激子、可调谐的层间相互作用、极高的电流开关比、优异的谷光学特性等,不仅为基础物理效应的研究提供了新平台,而且在新型光电器件的应用方面展现出极其诱人的潜力。在基础物理方面,目前已经在单层TMDs中观测到了新奇的Moire超晶格以及激子霍尔效应;实现了对多体相互作用的调控等。在应用方面,已经构筑了基于TMDs的场效应管（Field Effect Transistor,FET）、柔性电子器件、微型激光器、光探测器等;这些器件展现出与传统器件相当甚至更优的性能。为了进一步提高这些器件的性能,根据需要调控其光电特性,尤其是激子辐射特性,显得尤为重要。目前已报道的调控手段包括化学/缺陷掺杂、电场调控和分子吸附等;其中化学和缺陷掺杂通常具有不可逆性,会永久性损坏样品;而电场调控和分子吸附都可以可逆的调控TMDs材料的光电特性,具有更重要的实用意义。然而电场调控需要制备微纳电极,而分子吸附需要真空...
【文章来源】：山西大学山西省
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
(a)长约1厘米的大块WS2晶体
单层WS2激子辐射的全光学可逆调控2点的对应带隙时，最终转换为K(K′)点的直接带隙。通过光致发光获得的单层的量子产率比块状晶体要高出1000倍，从而证明了这种间接-直接的带隙交叉8,9。图1.2根据DFT计算的不同层数的WS2的能带结构7。表1.1总结了几种TMDs块状和单层的带隙10。可见对于TMDs，其电子特性从金属到半导体不等；在一些半导体TMDs中，存在着从多层的间接带隙到单层的直接带隙的转变。对于WS2，多层中的带隙在1.3-1.4eV之间，而单层WS2的带隙在1.8-2.1eV之间(取决于材料制备过程及基底效应)。由于降维和量子束缚效应，二维纳米层表现出了与三维块状不同的特性，如优异的电学和光学性能、非凡的机械灵活性和部分光学透明性等等。TMDs在低温下还表现出各种集体激发特性，例如电荷密度波，超导性，顺磁性，反铁磁性和反磁性11,12。此外，将不同二维TMDs组合在一起可以制备更为丰富的异质结结构，还可以提供更复杂甚至全新的光电特性。单层TMDs的直接带隙覆盖了从1eV到2eV的广泛光学带隙，还可以通过合金化来调节13-19，这使单层TMDs的应用更有潜力。1.2过渡金属硫化物二维材料的制备制备均匀的高质量的单层TMDs对将其电学和光学特性转化为应用尤为重要。从制备方法和制备过程来看，主要可以分成自上而下(Top-Down)制备法和自下而上制备法两种方法(Bottom-Up)。
单层WS2激子辐射的全光学可逆调控41.2.1自上而下制备法自上而下，顾名思义就是将大块的晶体厚度降低到单层或几层的厚度。由于范德华晶体具有极强的原子间共价键和微弱的平面间范德华力，通过克服这些弱力，很容易从大块的晶体上剥离出单层晶体。机械剥离是获取单层或多层晶体最简单、可靠的方法之一7,20-24。最基本的机械剥离过程如图1.3a所示：(1)首先用透明胶带在TMDs的原矿上粘几次，(2)然后将带有块状的TMDs的胶带对粘几次，使其层数减少到几层或单层，(3)最后将少层TMDs从胶带转移到基底上，从而获得少层甚至单层的样品。对于确定性转移通常则需要借助图1.3b的装置22，将薄层TMDs从胶带转移到弹性基底上，并通过显微镜将基底对准单层位置，然后冲压转移到所需基底的指定位置，这种确定性转移技术也称为全干式转移。图1.3(a)机械剥离TMDs过程示意图；(b)全干式转移过程实验装置示意图22。通过这种机械剥离产生的单晶片纯度高、清洁度好，基本特性保持度高，并可用于制造单独的器件。然而，这种方法是不可扩展的，并且不允许精确地控制片层的厚度和大校另一种常用的方法是液相剥离，即先插层后剥离25-32。在插层中，通常使用有机金属离子进入层间，削弱范德华键(图1.4)。在合适的溶剂下，块状材料在液体中还可以通过超声作用剥离(可以破坏弱的范德华键，但不能破坏强的共价键)33-40，然后利用超声波来获得想要的层数。通过这种方法可以大规模的生成单层TMDs，但缺点是反应温度较高，反应时间较长，反应机理比较复杂。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Recent progress in devices and circuits based on wafer-scale transition metal dichalcogenides[J]. Hongwei TANG,Haima ZHANG,Xinyu CHEN,Yin WANG,Xinzhi ZHANG,Puyang CAI,Wenzhong BAO. Science China（Information Sciences）. 2019(12)
本文编号：3538729
【文章来源】：山西大学山西省
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
(a)长约1厘米的大块WS2晶体
单层WS2激子辐射的全光学可逆调控2点的对应带隙时，最终转换为K(K′)点的直接带隙。通过光致发光获得的单层的量子产率比块状晶体要高出1000倍，从而证明了这种间接-直接的带隙交叉8,9。图1.2根据DFT计算的不同层数的WS2的能带结构7。表1.1总结了几种TMDs块状和单层的带隙10。可见对于TMDs，其电子特性从金属到半导体不等；在一些半导体TMDs中，存在着从多层的间接带隙到单层的直接带隙的转变。对于WS2，多层中的带隙在1.3-1.4eV之间，而单层WS2的带隙在1.8-2.1eV之间(取决于材料制备过程及基底效应)。由于降维和量子束缚效应，二维纳米层表现出了与三维块状不同的特性，如优异的电学和光学性能、非凡的机械灵活性和部分光学透明性等等。TMDs在低温下还表现出各种集体激发特性，例如电荷密度波，超导性，顺磁性，反铁磁性和反磁性11,12。此外，将不同二维TMDs组合在一起可以制备更为丰富的异质结结构，还可以提供更复杂甚至全新的光电特性。单层TMDs的直接带隙覆盖了从1eV到2eV的广泛光学带隙，还可以通过合金化来调节13-19，这使单层TMDs的应用更有潜力。1.2过渡金属硫化物二维材料的制备制备均匀的高质量的单层TMDs对将其电学和光学特性转化为应用尤为重要。从制备方法和制备过程来看，主要可以分成自上而下(Top-Down)制备法和自下而上制备法两种方法(Bottom-Up)。
单层WS2激子辐射的全光学可逆调控41.2.1自上而下制备法自上而下，顾名思义就是将大块的晶体厚度降低到单层或几层的厚度。由于范德华晶体具有极强的原子间共价键和微弱的平面间范德华力，通过克服这些弱力，很容易从大块的晶体上剥离出单层晶体。机械剥离是获取单层或多层晶体最简单、可靠的方法之一7,20-24。最基本的机械剥离过程如图1.3a所示：(1)首先用透明胶带在TMDs的原矿上粘几次，(2)然后将带有块状的TMDs的胶带对粘几次，使其层数减少到几层或单层，(3)最后将少层TMDs从胶带转移到基底上，从而获得少层甚至单层的样品。对于确定性转移通常则需要借助图1.3b的装置22，将薄层TMDs从胶带转移到弹性基底上，并通过显微镜将基底对准单层位置，然后冲压转移到所需基底的指定位置，这种确定性转移技术也称为全干式转移。图1.3(a)机械剥离TMDs过程示意图；(b)全干式转移过程实验装置示意图22。通过这种机械剥离产生的单晶片纯度高、清洁度好，基本特性保持度高，并可用于制造单独的器件。然而，这种方法是不可扩展的，并且不允许精确地控制片层的厚度和大校另一种常用的方法是液相剥离，即先插层后剥离25-32。在插层中，通常使用有机金属离子进入层间，削弱范德华键(图1.4)。在合适的溶剂下，块状材料在液体中还可以通过超声作用剥离(可以破坏弱的范德华键，但不能破坏强的共价键)33-40，然后利用超声波来获得想要的层数。通过这种方法可以大规模的生成单层TMDs，但缺点是反应温度较高，反应时间较长，反应机理比较复杂。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Recent progress in devices and circuits based on wafer-scale transition metal dichalcogenides[J]. Hongwei TANG,Haima ZHANG,Xinyu CHEN,Yin WANG,Xinzhi ZHANG,Puyang CAI,Wenzhong BAO. Science China（Information Sciences）. 2019(12)
本文编号：3538729
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