【摘要】：近年來,由于集成電路工藝的發(fā)展使得芯片的特征尺寸越做越小,致使器件的集成度越來越高,各種量子效應(yīng)問題也逐漸涌現(xiàn),導(dǎo)致傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料的集成電路工程面臨巨大的瓶頸,多年以來,人們?yōu)榱私鉀Q這一問題,一直努力致力于尋找新型材料。自2004年,科學(xué)家們首次利用機(jī)械剝離技術(shù)從石墨中成功制備出原子級厚度的二維材料-單層石墨烯,這一突破進(jìn)展,開啟了二維材料的研究大門,同時極大地激發(fā)了人們對于其他二維原子晶體的巨大研究興趣。單層石墨烯雖然具有諸多優(yōu)良的熱學(xué)、力學(xué)和電學(xué)性質(zhì),但是其沒有帶隙,二層以上的有小帶隙,這嚴(yán)重限制了其在光電器件領(lǐng)域的應(yīng)用。通過研究人員的不懈努力,已經(jīng)通過物理剝離、化學(xué)外延等方法,成功合成新型二維過渡金屬硫化物,例如硫化鎵,二硫化鉬和二硫化鎢等。相比于石墨烯而言,新型過渡金屬硫化物保持了石墨烯的高遷移率的特征,同時該類材料具有能帶寬度,這克服了石墨烯無帶隙帶來的諸多問題,使得其在未來的電子,信息,能源等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。為了進(jìn)一步發(fā)掘新型過渡金屬硫化物的的潛在應(yīng)用,有必要進(jìn)一步研究該類二維過渡金屬硫化物的光電特性。光譜學(xué)方法是一種通過對半導(dǎo)體材料進(jìn)行光學(xué)測試,從而獲得材料光學(xué)帶隙、電子躍遷、聲子振動、光學(xué)常數(shù)等重要光學(xué)信息的一種強(qiáng)大的非破壞性探測手段。通過對于這些光學(xué)性質(zhì)的分析,可以獲得材料的結(jié)晶質(zhì)量、電子躍遷、以及能帶結(jié)構(gòu)等特征。在本碩士論文中,我們通過光譜學(xué)的手段對于二硫化鉬、二硫化鎢等過渡金屬硫化物進(jìn)行光學(xué)表征,并分析了其光學(xué)性質(zhì),本文的主要研究內(nèi)容以及創(chuàng)新之處包括以下幾點:(1).研究了S摻雜對于GaSe_(1-x)S_x單晶折射率、消光系數(shù)、吸收系數(shù)、以及電子帶間躍遷和能帶結(jié)構(gòu)的影響。并結(jié)合第一性原理,從理論及實驗上研究了S摻雜對于GaSe單晶能帶結(jié)構(gòu)向GaS單晶能帶結(jié)構(gòu)過渡過程中光學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律。通過常溫橢圓偏振光譜實驗結(jié)合第一性原理計算系統(tǒng)地研究了利用斯托克斯布里奇曼(Bridgman-Stockbarger)方法生長的不同硫(S)組分的GaSe_(1-x)S_x(x=0,0.133和0.439)單晶的電子躍遷和能帶結(jié)構(gòu)變化情況。通過對于不同S含量的GaSe_(1-x)S_x單晶復(fù)介電函數(shù)的二階導(dǎo)數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)線形擬合得到五個帶間電子躍遷(E_1,E_2,E_3,E_4,和E_5),研究發(fā)現(xiàn)隨著S含量的增加,E_2,E_3,E_4臨界能量均有變大的趨勢。分析不同S組分對應(yīng)的GaSe_(1-x)S_x(x=0,0.133和0.439)單晶的吸收光譜,發(fā)現(xiàn)隨著S組分的增加,GaSe_(1-x)S_x吸收系數(shù)變小,且每個吸收峰位置出現(xiàn)藍(lán)移趨勢。結(jié)合第一性原理,從理論與實驗上分析,發(fā)現(xiàn)GaSe_(1-x)-x S_x單晶的禁帶寬度隨S含量的增加逐漸變大。對于這種變化引起的原因,我們做出如下解釋:由于S原子摻雜到GaSe_(1-x)S_x單晶中,使得S原子取代Se原子的位置,改變單晶的電子結(jié)構(gòu)以及導(dǎo)帶和價帶能級的位置,從而使得禁帶寬度隨S摻雜出現(xiàn)變大的趨勢。(2).通過拉曼散射和PL散射光譜的方法研究了黑磷/二硫化鉬((Black Phosphorus/MoS_2)BP/MoS_2)異質(zhì)結(jié)的聲子振動模式以及光致發(fā)光特性隨溫度的變化情況。同時,通過改變偏振片的放置方向,研究了常溫下不同偏振角度對于BP/MoS_2異質(zhì)結(jié)晶格振動模式以及光致發(fā)光特性的影響。此外,我們還研究了常溫下BP/MoS_2的聲子振動模式隨樣品厚度的變化趨勢。通過變溫的拉曼(Raman)散射光譜以及光致發(fā)光(PL)譜的光學(xué)研究手段,分析了BP/MoS_2異質(zhì)結(jié)的晶格振動模式和電子躍遷隨溫度的變化情況。研究發(fā)現(xiàn),BP與MoS_2堆疊良好,使得BP/MoS_2的晶格振動模式包含了獨立BP與MoS_2的所有聲子振動模式,且隨著溫度升高,BP,MoS_2與BP/MoS_2的拉曼峰位置發(fā)生輕微的紅移現(xiàn)象。對于MoS_2和BP/MoS_2的光致發(fā)光特性隨溫度的變化進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)溫度從200 K升高至500 K,MoS_2的PL峰位置從664 nm移動到686nm,BP/MoS_2的PL峰位置從664 nm變化到693 nm,且光致發(fā)光峰強(qiáng)度變?nèi)�。除了研究溫度對其影�?我們還在實驗過程中,改變偏振片的放置位置,發(fā)現(xiàn)水平-垂直方向放置時,偏振片對于樣品拉曼峰有過濾作用,同時對于光致發(fā)光峰的強(qiáng)度有增強(qiáng)作用。對于不同厚度的BP/MoS_2的聲子散射模式分析,發(fā)現(xiàn)BP與MoS_2厚度越薄,二者的堆疊程度越好。(3).詳細(xì)介紹了化學(xué)氣相沉積方法(CVD)制備單層MoS_2和WS_2的過程,并通過變溫拉曼散射光譜和PL光譜測試,研究了溫度變化對于單層MoS_2和WS_2的晶格振動模式與光致發(fā)光特征的影響。通過化學(xué)氣相沉積(CVD)方法成功制備出少層MoS_2和WS_2,并通過拉曼(Raman)散射光譜以及光致發(fā)光(PL)光譜技術(shù),分析了溫度變化對于單層MoS_2和WS_2聲子模式和帶間躍遷的影響。我們發(fā)現(xiàn)MoS_2和WS_2的拉曼峰的強(qiáng)度均隨溫度升高變?nèi)?且波峰的位置出現(xiàn)紅移現(xiàn)象。對于其光致發(fā)光特性圖譜分析發(fā)現(xiàn),溫度從175 K變化到600 K,MoS_2的光致發(fā)光峰位置從670 nm輕微移動到671nm;WS_2的光致發(fā)光峰位置從628 nm變化到686 nm。二者均向波長增大的方向移動,即禁帶寬度變小,這種現(xiàn)象可以從以下兩個方面進(jìn)行解釋,其一是熱膨脹,即溫度導(dǎo)致晶格常數(shù)的變化,從而引起能帶結(jié)構(gòu)的變化或能帶邊緣的移動;另一方面是由于溫度變化引起晶格振動狀態(tài)的變化,即聲子激發(fā)狀態(tài)的變化,從而導(dǎo)致電子-聲子的耦合及其對能帶產(chǎn)生輕微的變化。
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科技日益發(fā)展，柔性器件的出現(xiàn)為人類的生活提供了諸多便利，這使得其在人類生活應(yīng)用中變得越來越重要，需求也與日俱增�？蒲腥藛T將 GaSe單晶轉(zhuǎn)移到柔性云母基片上，制備成柔性光電器件，研究結(jié)果證實該材料制備的圖 1.2 GaSe 單晶在柔性襯底上制備的柔性電子器件[3]。

他特性的基礎(chǔ)上，因此，對于石墨烯零帶隙缺陷的改性，成為研究石墨烯在光電器件方面應(yīng)用的瓶頸，這激發(fā)科研人員努力去研究發(fā)現(xiàn)更多新型的二維材料，如圖1.1中列出了新型二維層狀材料的分類。研究表明與石墨烯性質(zhì)相似的二維過渡金屬硫化物如二硫化鉬(MoS2)，二硫化鎢(WS2)等，具有一些優(yōu)異于石墨烯的半導(dǎo)體性質(zhì)，，而使之成為當(dāng)今材料研究的另一個熱點。二維過渡金屬硫化物具有MX2形式的結(jié)構(gòu)通式，通式中金屬族元素用字母M表示，硫族元素用X表示，層內(nèi)金屬元素和硫元素之間以共價鍵的形式結(jié)合，形成類三明治結(jié)構(gòu)X-M-X。對于層與層之間的結(jié)合方式
【學(xué)位授予單位】：華東師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN304

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 王俊;原子力顯微鏡在材料成像和光存儲中的應(yīng)用[D];大連理工大學(xué);2010年

本文編號：2705559