【摘要】：在低維物理系統(tǒng)中,二維材料以其獨特的層狀結構、優(yōu)異的物理化學性能和廣闊的潛在應用前景,引起了廣大科研工作者的研究興趣,近年來許多二維材料新體系及其新現象、新性質相繼被發(fā)現。其中,二維層狀過渡金屬硫族化合物(MXn,M為過渡金屬,X=S,Se,Te)因其豐富的元素組成和特別的電子結構,展現出獨特的物理和化學性質,在光電子器件、能量轉化等方面都有著潛在的應用價值,成為光電研究領域的新熱點。過渡金屬硫族化合物具有獨特的準二維特性。已有的研究表明,通過調節(jié)晶格結構及改變元素組成,可以實現對其能帶結構的有效調控,從而改善和提高過渡金屬硫族化合物的物理化學性能。常用的能帶結構調控方法包括:改變化合物的層數,在層與層之間嵌入不同的堿金屬原子或過渡金屬原子,施加壓力或外部電場、磁場等。其中,外加壓力是一種干凈有效的調控材料結構的手段,可以有效避免因元素摻雜引起的空位、填隙原子等晶格缺陷干擾,因此是一種理想的材料性能研究手段。在過渡金屬硫族化合物中,PtS_2具有較高的載流子遷移率和可調的帶隙結構,而且理論計算表明,在外加壓力的條件下可以實現其帶隙由間接向直接的轉變。因此,本文選擇PtS_2為研究對象,在制備高質量PtS_2單晶的基礎上,系統(tǒng)研究了外加壓力對PtS_2結構以及光電性質的影響。論文取得以下主要研究結果:1.以磷做輸運劑,通過氣相輸運法成功制備出高質量的PtS_2單晶。2.利用同步輻射X射線衍射實驗研究了壓力對PtS_2結構的影響。隨著壓力增加,PtS_2的晶格常數持續(xù)減小,但X射線衍射譜沒有發(fā)生峰的劈裂或者出現新的衍射峰,表明壓力導致材料壓縮,但沒有發(fā)生結構相變。3.利用拉曼光譜研究了壓力對PtS_2振動模式的影響。無論是否施加壓力,PtS_2的主要振動模式均表現為S原子的面內振動模式Eg和面外振動模式A1g。隨著壓力增加,峰位單調藍移,再次證明了壓力導致材料壓縮,但沒有發(fā)生結構相變。4.利用電輸運測試研究了壓力對PtS_2光電性質的影響。隨著壓力增加,電阻減小,實現了PtS_2的能帶結構由間接到直接帶隙和半導體到導體的轉變。外加壓力在1-3 GPa范圍變化時,光電流隨壓力沒有出現明顯變化;外加壓力在3-4 GPa范圍變化時,光電流快速增加,直至常壓時的6倍,載流子光激發(fā)效率的迅速提高表明材料在較高壓力下發(fā)生了由間接帶隙到直接帶隙的轉變;外加壓力在4-6.4 GPa范圍內變化時,光電流逐漸減小直至變?yōu)榱?表明外加高壓導致了材料實現了半導體—金屬轉變�？傊�,最終結果表明,PtS_2在高壓下結構穩(wěn)定,施加適當范圍的壓力可以提高PtS_2的光電流,提高其光電性質。這為未來提高光電器件的性能提供了一種新的思路與方法,對光電器件的發(fā)展具有很好的借鑒意義。
【圖文】：

1.1 二維材料層狀材料存在已有千年，被系統(tǒng)地研究也已有 150 多年的歷史了[1]，研究發(fā)現當層數減少到一定程度時材料的物理特性會受到某些限制，展現出與體材料或厚層材料截然不同的性質，而這種受到二維物性限制的材料被稱為二維層狀材料。2004 年，英國曼徹斯特大學的俄羅斯物理學家 Konstantin Novoselov 和Andre Geim 通過機械剝離法得到了僅由一層碳原子構成的石墨烯[2]，并于 2005年首次提出二維原子晶體（Two-dimensional atomic crystals）這個概念來描述石墨烯和類石墨烯的二維結構。石墨烯是人類得到的第一種可以穩(wěn)定存在的二維材料，它的出現立即震撼了凝聚態(tài)物理界，掀起了一股新的研究熱潮。圖 1.1 展示了石墨烯的幾何結構和能帶結構示意圖，由圖可以看出石墨烯是由碳原子形成的蜂巢晶格結構排列構成的單層二維晶體，可以認為是所有 sp2軌道雜化的碳的同素異性體的集成[3]。圖 1.1（b）給出了石墨烯的能帶結構示意圖，從圖中可以看出價帶被電子占滿，導帶被空穴占滿，導帶和價帶在第一布里淵區(qū)邊界的 K點相連[4]，很明顯石墨烯是零帶隙結構。

圖 1.2 硅烯的結構示意圖當然，，黑磷也因為其獨特的性能受到了大家的關注。黑磷是單原子結構，利用不同的計算方法得到的單層黑磷的帶隙大小也不同（如圖 1.3 中（c）），主要集中在 0.9 eV 到 1.5 eV 之間，而且隨著層數的增加帶隙逐漸減少，厚層帶隙大約為 0.3 eV，但無論是單層還是厚層，黑磷的帶隙都為直接帶隙[13-15]。而且目前已知的單層黑磷在室溫下的遷移率是 286 cm2/Vs，體材料的黑磷在室溫下的遷移率約為 1000 cm2/Vs，低溫下能達到 15000 cm2/Vs，因此黑磷被認為是光電材料的后備軍。但是由于黑磷在室溫環(huán)境下不穩(wěn)定，很容易分解，因此距離黑磷能夠應用于光電子領域的目標還有很長的一段路要走。
【學位授予單位】：鄭州大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：O521.2

【參考文獻】

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1 周朝迅;廖源;周獻亮;余慶選;董振超;;不同襯底對單層二硫化鉬光學性質的影響研究[J];低溫物理學報;2015年06期

2 湯鵬;肖堅堅;鄭超;王石;陳潤鋒;;類石墨烯二硫化鉬及其在光電子器件上的應用[J];物理化學學報;2013年04期

3 顧正彬;季根華;盧明輝;;二維碳材料——石墨烯研究進展[J];南京工業(yè)大學學報(自然科學版);2010年03期

4 傅強;包信和;;石墨烯的化學研究進展[J];科學通報;2009年18期

本文編號：2696661