【摘要】：過(guò)渡金屬硫族化物為典型的層狀類石墨烯二維材料,研究發(fā)現(xiàn)它們具有可調(diào)的能帶帶隙以及光學(xué)選擇性的能谷電子,為新型二維光電子器件的研究提供了全新的方向。二硫化鎢(tungsten disulfide,WS_2)為典型的層狀過(guò)渡金屬硫族化物,表現(xiàn)出較強(qiáng)的二次諧波、層數(shù)依賴的光致發(fā)光、較大的自旋分裂和激子結(jié)合能等,使其在高性能微納集成電子器件中嶄露頭角。同時(shí)亞皮秒量級(jí)的超快載流子特性使其有望在太赫茲波段研制高性能太赫茲光電響應(yīng)器件。太赫茲光譜技術(shù)為探測(cè)和研究半導(dǎo)體材料的太赫茲光電響應(yīng)性能提供了無(wú)接觸和高效率的研究手段。但是,基于WS_2材料的優(yōu)異光電性能及其在太赫茲波段的研究目前少有報(bào)道。本論文采用太赫茲光譜技術(shù)研究了WS_2材料在太赫茲波段的光電響應(yīng)及基于WS_2材料的太赫茲發(fā)射光譜特性,為層狀過(guò)渡金屬硫族化物在太赫茲功能器件的研究和發(fā)展提供良好的基礎(chǔ),可以進(jìn)一步推進(jìn)太赫茲技術(shù)的發(fā)展。本論文的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下:(1)WS_2材料的太赫茲靜態(tài)光學(xué)常數(shù)(吸收和折射率)和動(dòng)態(tài)載流子動(dòng)力學(xué)過(guò)程的研究。通過(guò)太赫茲透射光譜系統(tǒng)測(cè)試了透過(guò)WS_2材料的太赫茲時(shí)域光譜,通過(guò)參數(shù)計(jì)算方法,獲得太赫茲波段的折射率和吸收系數(shù)等光學(xué)參數(shù)。通過(guò)光泵浦-太赫茲探測(cè)系統(tǒng)測(cè)試,分析獲得了WS_2材料動(dòng)態(tài)載流子弛豫過(guò)程,分析了光泵浦下太赫茲復(fù)電導(dǎo)率與入射泵浦光的關(guān)系。相關(guān)研究成果的論文正在整理中。(2)塊狀WS_2晶體太赫茲發(fā)射光譜特性研究。通過(guò)反射和透射構(gòu)型的太赫茲發(fā)射光譜系統(tǒng)研究了800 nm飛秒激光激發(fā)下WS_2晶體表面的太赫茲輻射特性。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)在不同入射偏振光激發(fā)下,僅產(chǎn)生p偏振方向的太赫茲波輻射,且隨著泵浦功率的增加,其太赫茲輻射電場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)飽和效應(yīng)。而這些結(jié)果完全不同于在同樣實(shí)驗(yàn)條件下的基于光整流效應(yīng)的二硫化鉬晶體,盡管兩者具有相似的物理結(jié)構(gòu)和光電子特性。通過(guò)改變WS_2樣品的方位角發(fā)現(xiàn)太赫茲輻射電場(chǎng)強(qiáng)度與方位角(φ)變化不敏感,幾乎保持不變。我們通過(guò)第一性原理計(jì)算,發(fā)現(xiàn)WS_2中非線性系數(shù)d_(22)幾乎為零,而d_(22)決定了光整流效應(yīng)的3φ旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性。通過(guò)分析泵浦光偏振角與太赫茲輻射電場(chǎng)強(qiáng)度的依賴關(guān)系,計(jì)算出非線性效應(yīng)的貢獻(xiàn)約為12%。以上結(jié)果說(shuō)明WS_2晶體表面的太赫茲輻射主要由表面態(tài)引起的表面場(chǎng)導(dǎo)致的。通過(guò)分析其表面場(chǎng)特征,其最大的表面場(chǎng)近似為1.2×10~5 V/cm。該研究成果不僅可以為層狀材料的太赫輻射特性研究提供良好基礎(chǔ),而且可以促進(jìn)基于層狀材料的太赫茲器件發(fā)展。該部分內(nèi)容已經(jīng)發(fā)表在Physical Review B期刊上。(3)少層WS_2的太赫茲發(fā)射光譜特性研究。具有優(yōu)異自旋極化特性的層狀過(guò)渡金屬硫族化物為自旋電子學(xué)和谷電子學(xué)的發(fā)展鋪平了道路。在此,采用線偏振和圓偏振800 nm入射泵浦光分別激發(fā)少層WS_2表面,對(duì)產(chǎn)生偏振態(tài)依賴的太赫輻射特性進(jìn)行了分析。通過(guò)線偏振光激發(fā)過(guò)程,初步驗(yàn)證了表面內(nèi)建電場(chǎng)使得界面電位梯度發(fā)生變化,從而在布里淵區(qū)Γ點(diǎn)周圍引起Rashba自旋分裂。當(dāng)圓偏振光激發(fā)時(shí),其動(dòng)量空間中的電荷不對(duì)稱分布將導(dǎo)致面內(nèi)自旋極化電流,從而產(chǎn)生圓偏振太赫茲輻射。這些結(jié)果不僅為自旋極化瞬態(tài)光電流的測(cè)量提供了新的非接觸式檢測(cè)方法,而且為層狀過(guò)渡金屬硫族化物在自旋/谷電子特性的研究提供了理論基礎(chǔ)。相關(guān)研究成果的論文正在整理中。(4)單層WS_2的太赫茲發(fā)射光譜特性研究。納米材料的偏振太赫茲發(fā)射研究不僅開(kāi)辟了新興的“TeraNano”交叉學(xué)科,而且為非線性光學(xué)過(guò)程研究提供了新的工具。在此,首先在室溫下,分別通過(guò)線偏振和圓偏振激光激發(fā)方式,研究了單層WS_2的太赫茲輻射機(jī)制。結(jié)果表明,在800 nm飛秒激光的激發(fā)下,偏振太赫茲發(fā)射主要是基于面內(nèi)非線性偶極子的光整流效應(yīng)產(chǎn)生,這與塊狀WS_2晶體的機(jī)制不同。并結(jié)合實(shí)驗(yàn)和理論驗(yàn)證了太赫茲輻射電場(chǎng)強(qiáng)度與方位角和入射偏振角的依賴關(guān)系。此外,基于圓偏振光激發(fā)下的非共振非線性過(guò)程,觀測(cè)到可控的橢圓偏振太赫茲發(fā)射,其最大橢圓率e≈0.52。清楚地了解二維材料的太赫茲輻射機(jī)制將有助于二維太赫茲光電子集成器件的進(jìn)一步設(shè)計(jì)、優(yōu)化和偏振控制。該部分內(nèi)容已經(jīng)發(fā)表在Advanced Optical Materials期刊上。
【圖文】：

圖1按電學(xué)性質(zhì)分類的常見(jiàn)二維材料[7]2二硫化鎢結(jié)構(gòu)及其光電特性及應(yīng)用.1 二硫化鎢結(jié)構(gòu)特性層狀 WS2是典型的二維層狀類石墨烯材料，具有密排六方蜂窩狀結(jié)構(gòu)，其單層由上下兩層硫原子和中間層鎢原子以類三明治結(jié)構(gòu)組成。層內(nèi)鎢和硫原子之間較強(qiáng)的共價(jià)鍵結(jié)合，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；層間分子以微弱的范德瓦爾斯力結(jié)合，其結(jié)構(gòu)示如圖 2（a）所示。WS2也是典型的可調(diào)帶隙半導(dǎo)體，隨著層數(shù)減少至單層，層S2由間接帶隙半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訋栋雽?dǎo)體，其帶隙從 1.3 eV 到 2.1 eV，最大開(kāi)/關(guān)比達(dá)到 106，最大電子遷移率達(dá) 300 cm2V-1s-1[17]。通過(guò)原子力顯微鏡觀察單納米薄膜狀的 WS2，其晶格通常呈現(xiàn)正三角形狀，如圖 2（b）所示，部分區(qū)域堆疊而形成較大面積的薄膜。當(dāng)堆疊厚度達(dá)到微米量級(jí)時(shí)，形成 WS2塊狀晶體

且通過(guò)不同的溫度和壓強(qiáng)條件，其結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行互相轉(zhuǎn)換[18]。六方晶系堆構(gòu)是最常見(jiàn)和最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。其六方晶系結(jié)構(gòu)如圖 2（d）所示，，每上下兩層原構(gòu)互為空間反演對(duì)稱，按 A-B 模式堆疊而成，a 和 c 分別為晶格常數(shù)。該結(jié)構(gòu)類塊狀晶體和偶數(shù)層材料具有中心對(duì)稱性。通常制備納米層狀WS2的方法主要有自上而下（top-down）和自下而上（bottom種方法。自上而下即通過(guò)破壞層間的范德瓦爾斯力，使層與層之間進(jìn)行分離，主括機(jī)械剝離法[19]和液相剝離法[20]。其中機(jī)械剝離的樣品質(zhì)量好，面積大，但產(chǎn)，一般用于實(shí)驗(yàn)研究。液相剝離法是將材料粉末分散在溶劑中，利用超聲波、微波切力等手段輔助剝離，經(jīng)過(guò)靜置或離心分離得到無(wú)結(jié)構(gòu)缺陷的單層、少層的納米方法能進(jìn)行大規(guī)模的量化生產(chǎn)。自下而上的方法主要為化學(xué)氣相沉積法，即在基面“從無(wú)到有”的化學(xué)合成原子尺寸厚度的二維材料，該方法能獲得高質(zhì)量，大面二維材料而備受關(guān)注，且通過(guò)控制生長(zhǎng)方法的參數(shù)可獲得層數(shù)可控，摻雜調(diào)控的層狀 WS2材料[21]。
【學(xué)位授予單位】：西北大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：O433;TB34;O441.4

【參考文獻(xiàn)】

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2 趙奇一;硫族二維層狀納米材料及其異質(zhì)結(jié)的光電特性的第一性原理研究[D];西北大學(xué);2018年

3 邢曉;類石墨烯等二維材料超快載流子動(dòng)力學(xué)THz光譜研究[D];上海大學(xué);2017年

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本文編號(hào)：2705165