论文总字数：37003字

摘 要

石墨烯具有优异的热学、电学、光学性质，从2004年发现以来已被广泛应用于微电子领域，但是石墨烯不具备带隙，使得电子器件尺寸的进一步减小受到约束。由单层原子构成的MoS₂是一种具有类石墨烯六方结构的新型二维(2D)层状材料。近年来由于其独特的物理化学性质，成为材料研究及微电子器件应用领域的新兴热点，相比于石墨烯能带结构的零带隙，二维MoS₂存在可调控的带隙，在光电器件领域的应用更有前景。拉曼光谱以其无损、迅速的特点，成为研究类石墨烯二维材料的重要手段，通过拉曼光谱峰的位置、强度及红移、蓝移的特点，能够定量及定性分析出材料内部分子振动模式、材料的缺陷、堆垛等信息。

本论文采用物理机械剥离法制备出尺寸大、厚度不同的MoS₂二维层状材料，并利用拉曼光谱和电学性能测试对其进行表征。首先使用532nm的激光器拉曼光谱仪对不同层数的MoS₂的拉曼光谱进行测定，同时研究了不同激光功率诱导MoS₂产生局部热效应时，不同厚度MoS₂二维材料拉曼光谱的影响。最后对MoS₂与金电极及SiO₂衬底构成的肖特基结进行光暗场I/V曲线测试及背栅调制转移特性研究的光电学性能测试。得出的主要结论如下：

1. MoS₂二维材料的层数影响拉曼峰的拉曼位移，随着层数增加，峰发生红移，峰发生蓝移；热效应影响和峰的强度及半高宽，但不发生红移或蓝移；
2. 在光暗场下MoS₂与金电极形成的两个结都表现出比较好的肖特基结的特性，器件的光电响应很灵敏，MoS₂二维材料可用于制作精密光电探测器；
3. MoS₂与金电极构成的器件具有很广的背栅调节范围，且背栅调节过程中源、漏端电流变化大，具有很好的转移特性。

关键词：机械剥离、拉曼光谱、肖特基结、TMDC二维材料、光电特性

The Raman Characterization and Electrical Performance Researches of Mechanical Exfoliation 2D Materials of MoS₂

Abstract

Graphene has been widely used in the Field of microelectronics with excellent thermal, electrical and optical properties since 2004. But graphene dosen’t have bandgap, which constraints the development of the decreasing scales of electronic devices. Graphene-liked molybdenum disulfide (MoS₂), which is composed of a monolayer or few layers of MoS₂, is a new two-dimensional (2D) layered material which has attracted considerable attention recently because of its unique structure, optical and electronic properties. Compared to graphene, MoS₂ has a brighter future in the field of optoelectronic devices, because its inherent band gap. So MoS₂ has more promising application in the field of optoelectronic devices. Raman spectroscopy become one of the most important means of Graphene-liked 2D materials for its characteristics of nondestructively and rapidly. Through the peak location, intensity of Raman Spectrum and the characteristics of the blue-shift and red-shift, we can quantitatively and qualitatively analyze of the material abut internal molecular vibrational modes, material defects, stacking and other information.

In this paper I adopt the physical mechanical exfoliation method to prepare large size and different thickness of two-dimensional layered MoS₂, and characterize it by using Raman Spectrum and electrical performance testing. First, we use Raman Spectrometer to measure different layers of MoS₂, and study the performance of different layer when use different laser power. Then we test the photoelectric performance including I/V curve and back gate modulation transfer characteristic research of the Schottky junction made of MoS₂, Au and SiO₂. We can get conclusions as below:

1. The layers of MoS₂ influence the Raman Shift. With the layers increasing, peak will red-shifts and peak will blue-shifts; heat effect influences the intensity of the peak, but there is no red-shift or blue-shift;
2. At the dark and light conditions, the junctions containing MoS₂ and Au performance good Schottky junction properties, and the device has a sensitive photoelectric response which can be used for making photoelectric detector;
3. The device of MoS₂ and Au has a wide adjusting range of back gate voltages, and in the process of back gate adjustment, the current between source and drain has big difference, so the device has a good transfer property.

Keywords：Mechanical Exfoliation, Raman Spectrum, Schottky Junction, TMDC 2D Materials, Photoelectric Performance

目录

摘 要 I

Abstract II

目 录 IV

第一章 绪 论 1

1.1 引言 1

1.2 TMDC二维材料的性质 2

1.2.1 光学性能 2

1.2.2 电学性能 3

1.2.3 热学性能 3

1.2.4 机械性能 3

1.3 TMDC二维材料的制备方法 4

1.3.1 物理机械剥离法 4

1.3.2 电化学锂离子插层法 4

1.3.3 液相超声剥离法 5

1.3.4 化学气相沉积法（CVD） 5

1.4 TMDC二维材料的表征方法 5

1.4.1 光学显微镜（OM） 6

1.4.2 原子力显微镜（AFM） 6

1.4.3 拉曼光谱 6

1.5 肖特基结的发展简介 8

1.6 本文的研究目的和主要研究内容 9

第二章 MoS₂二维材料及电子器件的制备 11

2.1 物理机械剥离法制备MoS₂二维材料 11

2.2 TMDC二维材料的表征 14

2.2.1 光学显微分析（OM） 14

2.3 电子器件的制备工艺 15

2.3.1 电子器件制备 16

2.3.2 二维材料的定点转移 20

第三章 MoS₂二维材料的拉曼光谱表征 27

3.1 TMDC二维材料的拉曼光谱特征 27

3.2 不同层数MoS₂二维材料的拉曼表征 29

3.3 热效应对不同厚度MoS₂拉曼光谱的影响 31

3.4 本章小结 34

第四章 MoS₂二维材料的电学性能研究 35

4.1 光暗场I/V测试及光电响应特征 36

4.2 背栅调制转移特性研究 37

第五章 结 论 39

致 谢 43

参考文献 41

第一章 绪 论

• 1. 引言

2004年，Geim^[1]等人通过物理机械剥离法成功地从高定向石墨片中剥离得到石墨烯材料。石墨烯是由碳原子在单层内构成的具有六方蜂巢状结构的新型二维纳米材料，是sp²键构成的碳材料，如零维富勒烯、一维碳纳米管和二维纳米石墨层的基本组成材料。其独特的电学、光学和机械性质奠定了它在微电子领域应用的基础，也吸引了很多优秀的科学家研究石墨烯。这些性质包括：在石墨烯电子带结构中，导带和价带在布里渊区的两点（K和）相接触，并且在这些点的附近电子能量与波矢成线性关系，，因此，在理想石墨烯中电子等同于无质量的狄拉克-费米子^[1]；石墨烯的厚度仅为一个原子层的厚度，而其平面尺度可以达到毫米级别以上，二维材料的高度各向异性，使其表现出独特的表面效应及量子限域效应；本征石墨烯中参与导电的载流子既有电子也有空穴，为双极型载流子导电，具有非常高的迁移率^[2]；石墨烯具有极其优异的力学性能，对其施加应力可打开其带隙从而实现力电耦合；此外，石墨烯透光率高，也能够吸收极广光谱范围内的光，使其在光电探测领域具有重要作用。

石墨烯的研究热潮引发了科学家们对具有类石墨烯结构的二维材料，即范德瓦尔斯（vdW）材料的研究兴趣和探索。实际上，薄层石墨烯的成功制备已经证明，在石墨烯基础上制备稳定、单层或少层的层状六方晶格的范德瓦尔斯键晶体材料是非常可能的。在众多超薄半导体层状材料中，过渡族金属硫化物（transition-metal dichalcogenides TMDC）二维材料^[3]具有优异的化学和机械稳定性，其化学式结构为：MX₂（其中，M为Mo,Nb,W,Sn；X为S,Se,Te,O）。以MoS₂作为典型代表，MoS₂已经被越来越多的领域探索，包括光电子学、自旋电子学、耦合机械电子学、异构催化剂脱硫过程、热电学、摩擦学等^[3]。单层的MoS₂是Mo原子和S原子的三明治结构，Mo原子层位于整个MoS₂单层的中间，上面和下面两层都是由S原子构成，3个原子层之间通过共价键结合。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：37003字