二维异质结的化学气相沉积法制备与性质研究

论文总字数：27625字

摘 要

随着石墨烯研究的热潮，越来越多类石墨烯的二维TMDCs材料开始受到研究者的关注，其具有类似石墨烯的非常好的柔韧性、电学、光学性能，而且其直接带隙、高开关比、光至荧光等性能优于石墨烯；同时二维异质结由两种TMDCs材料构成，自身具有pn结，这些材料在未来的逻辑电路、电子、光学器件中的应用十分广泛。

本文通过原位机械力剥离法研究了二维TMDCs材料的形貌、厚度与所用胶带、粘贴方式和粘贴次数的关系。通过化学气相沉积法研究了WS₂形貌、厚度与基底、氢气流量和生长时间的关系。通过化学气相沉积法研究WS₂/WSe₂二维异质结的生长机理、形貌控制和性能。本研究发现延长异质结的生长时间能够增大异质结尺寸，主要是由于有足够的Se将第一步生长的WS₂大单晶生长成为完整的异质结结构。

关键词：过渡金属硫属化合物（TMDC）；二维异质结；机械力剥离法；化学气相沉积法（CVD）；光至荧光

Abstract

With researches on graphene, many 2D TMDCs materials which have good flexibility, electronic and optical properties just like graphene, had drawn more and more attention from researcher. And those TMDCs materials also have direct band, high on/off ratio, photoluminescence which graphene don’t. And the heterostructures made from two different TMDCs materials have PN junction, so all those 2D TMDCs materials and heterostructures will have a wide use in the future logic circuit, electronic and optical devices.

This research use in-situ mechanical method to study the relation between the morphology and the kind of scotch used, the way and times to peel the scotch. I researched how different substrates, hydrogen speed and grow time to influence the morphology of 2D WS₂ with chemical vapor deposition method. And I focused on the growth mechanical, morphology control and properties control of the 2D WS₂/WSe₂ heterostructure. And I found that longer growth time can enlarge the heterostructure because there is more time for Se to selenisation the inner part of the triangle domain to form a complete heterostructure.

KEY WORDS：Transition metal dichalcogenide monolayer(TMDC) ; 2D heterostructures; Mechanical Scotching Method; Chemical Vapor Deposition(CVD); Photoluminescence.

目 录

摘要 I

Abstract I

第一章. 绪论 1

1.1. 前言 1

1.2. 二维TMDC材料及二维异质结制备方法 2

1.2.1. 机械力剥离法 2

1.2.2. 电化学锂离子插层剥离法 2

1.2.3. 液相超声法 3

1.2.4. 化学气相沉积法（CVD法） 3

1.3. 二维TMDC材料及二维异质结的表征方法 4

1.3.1. 光学显微镜 4

1.3.2. 拉曼分析 4

1.3.3. 光至发光分析 5

1.3.4. 其他方法 5

1.4. 应用 5

1.5. 本章小结 5

第二章. 机械力剥离法制备二维TMDCs材料 6

2.1. 机械力剥离法 6

2.1.1. 机械力剥离制备方法 6

2.1.2. 机械力剥离法特点 6

2.2. 机械力剥离法制备TMDC材料实验结果 6

2.2.1. 机械力剥离法制备石墨烯 6

2.2.2. 胶带种类对机械力剥离法结果的影响 8

2.2.3. 胶带对折粘贴次数对机械力剥离法结果的影响 10

2.3. 本章小结 11

第三章. 化学气相沉积法制备二维WS₂ 12

3.1. 化学气相沉积法设备及制备原理 12

3.2. 化学气相沉积法制备二维WS₂ 13

3.2.1. 实验参数 13

3.2.2. 基底清洗 14

3.3. 化学气相沉积法制备WS₂实验结果 14

3.3.1. 基底对WS₂生长的影响 14

3.3.2. 氢气流量对WS₂生长的影响 16

3.4. 本章小结 17

第四章. 化学气相沉积法制备二维WS₂/WSe₂异质结 19

4.1. 二维异质结 19

4.1.1. 二维异质结的分类和特点 19

4.1.2. 化学气相沉积法制备横向异质结实验参数 20

4.2. 化学气相沉积法制备WS₂/WSe₂异质结研究结果 21

4.2.1. 基底对异质结尺寸的影响 21

4.2.2. 异质结尺寸对性能的影响 24

4.2.3. 生长时间对异质结结构、性能的影响 27

4.3. 本章小结 29

第五章. 结论与展望 30

参考文献 31

致 谢 33

绪论

前言

从2004年英国曼彻斯特大学Novoselov教授用胶带法成功剥离出单层石墨以来[1]，石墨烯作为新一代革命性的新材料，以其众多的优良特性[2]备受关注。随着对石墨烯的研究不断深入，更多的二维类石墨烯材料逐渐被发现，如六方氮化硼、过渡金属硫化物MX2（M=W，Mo，Te；X=S，Se），黑磷等[3]，他们同样极具研究价值，某些特性甚至优于石墨烯。石墨烯由于其价带和导带交于拉克点，结构中无能隙，无法提供低截至态电流，而且开关比小，因而在逻辑电路中的应用收到了很大限制，无法在电子学器件中广泛应用。而诸如WS2、WSe2、MoS2等超薄层状过渡金属硫属化合物（TMDCs）由于它们出色的由分子层数控制的电学性质、光电特性，被视为下一代的电子器件、光电器件的未来材料，得到了很多关注[4]。这些材料在拥有和石墨烯相当的柔韧性时，还拥有高开关比[5]、间接带隙直接带隙转换、高激子结合能以及高的荧光量子效率，而二维材料的这些性能与其体材的性能截然不同。随着对层状过渡金属硫属化合物的研究不断深入，WS2、MoS2、TiS2已经在催化、光电器件、电池以及固体润滑剂中有了应用 [6]，而当研究继续深入到单层或数层过渡金属硫属化合物时，这些二维材料的性能会更加出色，可以被用来制备更小尺寸、柔韧性好、响应更快的微电子器件以及微光电器件[5]。

过渡金属硫属化合物（TMDCs）同时具备类似石墨烯的二维材料特性和固有带隙，其分子式为MX₂，M为过渡金属（W，Mo），X为硫属元素（Se，Te，S）。TMDCs的块体是层状材料，层内是结合力强的共价键结合，层间是结合力弱的范德华力结合，通过分子层的叠加形成了快体材了。更重要的是，随着过渡金属硫属化合物的材料尺寸从块体减少到单分子层时，材料也从间接带隙转变为了直接带系。直接带隙是想要的性能，因为它能够有效地吸收光子，对很多探测器和光伏设备的应用非常重要。当材料是直接带系的时候，入射光子可以直接将电子从半导体能量最高的价带激发到能量最低的导带，而不需要和声子作用。在间接带隙材料中，由于激发到空穴的电子具有不同的k传播方向（晶格动量），因此声子的相互作用就非常重要。激发态电子必须通过消耗或发射声子来获得动量，才能够和导带中的空穴相容。但这对间接带隙半导体来说几乎是不可能的，所以其吸收或发射的能力是非常弱的。

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