過(guò)渡金屬硫化物二維材料（Transition metal dichalcogenides,TMDs,如Mo S2,WS₂等）因其新奇的物理化學(xué)特性,如顯著的量子限制效應(yīng)、室溫下穩(wěn)定的層內(nèi)激子、可調(diào)諧的層間相互作用、極高的電流開(kāi)關(guān)比、優(yōu)異的谷光學(xué)特性等,不僅為基礎(chǔ)物理效應(yīng)的研究提供了新平臺(tái),而且在新型光電器件的應(yīng)用方面展現(xiàn)出極其誘人的潛力。在基礎(chǔ)物理方面,目前已經(jīng)在單層TMDs中觀測(cè)到了新奇的Moire超晶格以及激子霍爾效應(yīng);實(shí)現(xiàn)了對(duì)多體相互作用的調(diào)控等。在應(yīng)用方面,已經(jīng)構(gòu)筑了基于TMDs的場(chǎng)效應(yīng)管（Field Effect Transistor,FET）、柔性電子器件、微型激光器、光探測(cè)器等;這些器件展現(xiàn)出與傳統(tǒng)器件相當(dāng)甚至更優(yōu)的性能。為了進(jìn)一步提高這些器件的性能,根據(jù)需要調(diào)控其光電特性,尤其是激子輻射特性,顯得尤為重要。目前已報(bào)道的調(diào)控手段包括化學(xué)/缺陷摻雜、電場(chǎng)調(diào)控和分子吸附等;其中化學(xué)和缺陷摻雜通常具有不可逆性,會(huì)永久性損壞樣品;而電場(chǎng)調(diào)控和分子吸附都可以可逆的調(diào)控TMDs材料的光電特性,具有更重要的實(shí)用意義。然而電場(chǎng)調(diào)控需要制備微納電極,而分子吸附需要真空... 

【文章來(lái)源】：山西大學(xué)山西省

【文章頁(yè)數(shù)】：76 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

(a)長(zhǎng)約1厘米的大塊WS2晶體

單層WS2激子輻射的全光學(xué)可逆調(diào)控2點(diǎn)的對(duì)應(yīng)帶隙時(shí)，最終轉(zhuǎn)換為K(K′)點(diǎn)的直接帶隙。通過(guò)光致發(fā)光獲得的單層的量子產(chǎn)率比塊狀晶體要高出1000倍，從而證明了這種間接-直接的帶隙交叉8,9。圖1.2根據(jù)DFT計(jì)算的不同層數(shù)的WS2的能帶結(jié)構(gòu)7。表1.1總結(jié)了幾種TMDs塊狀和單層的帶隙10。可見(jiàn)對(duì)于TMDs，其電子特性從金屬到半導(dǎo)體不等；在一些半導(dǎo)體TMDs中，存在著從多層的間接帶隙到單層的直接帶隙的轉(zhuǎn)變。對(duì)于WS2，多層中的帶隙在1.3-1.4eV之間，而單層WS2的帶隙在1.8-2.1eV之間(取決于材料制備過(guò)程及基底效應(yīng))。由于降維和量子束縛效應(yīng)，二維納米層表現(xiàn)出了與三維塊狀不同的特性，如優(yōu)異的電學(xué)和光學(xué)性能、非凡的機(jī)械靈活性和部分光學(xué)透明性等等。TMDs在低溫下還表現(xiàn)出各種集體激發(fā)特性，例如電荷密度波，超導(dǎo)性，順磁性，反鐵磁性和反磁性11,12。此外，將不同二維TMDs組合在一起可以制備更為豐富的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，還可以提供更復(fù)雜甚至全新的光電特性。單層TMDs的直接帶隙覆蓋了從1eV到2eV的廣泛光學(xué)帶隙，還可以通過(guò)合金化來(lái)調(diào)節(jié)13-19，這使單層TMDs的應(yīng)用更有潛力。1.2過(guò)渡金屬硫化物二維材料的制備制備均勻的高質(zhì)量的單層TMDs對(duì)將其電學(xué)和光學(xué)特性轉(zhuǎn)化為應(yīng)用尤為重要。從制備方法和制備過(guò)程來(lái)看，主要可以分成自上而下(Top-Down)制備法和自下而上制備法兩種方法(Bottom-Up)。

單層WS2激子輻射的全光學(xué)可逆調(diào)控41.2.1自上而下制備法自上而下，顧名思義就是將大塊的晶體厚度降低到單層或幾層的厚度。由于范德華晶體具有極強(qiáng)的原子間共價(jià)鍵和微弱的平面間范德華力，通過(guò)克服這些弱力，很容易從大塊的晶體上剝離出單層晶體。機(jī)械剝離是獲取單層或多層晶體最簡(jiǎn)單、可靠的方法之一7,20-24。最基本的機(jī)械剝離過(guò)程如圖1.3a所示：(1)首先用透明膠帶在TMDs的原礦上粘幾次，(2)然后將帶有塊狀的TMDs的膠帶對(duì)粘幾次，使其層數(shù)減少到幾層或單層，(3)最后將少層TMDs從膠帶轉(zhuǎn)移到基底上，從而獲得少層甚至單層的樣品。對(duì)于確定性轉(zhuǎn)移通常則需要借助圖1.3b的裝置22，將薄層TMDs從膠帶轉(zhuǎn)移到彈性基底上，并通過(guò)顯微鏡將基底對(duì)準(zhǔn)單層位置，然后沖壓轉(zhuǎn)移到所需基底的指定位置，這種確定性轉(zhuǎn)移技術(shù)也稱為全干式轉(zhuǎn)移。圖1.3(a)機(jī)械剝離TMDs過(guò)程示意圖；(b)全干式轉(zhuǎn)移過(guò)程實(shí)驗(yàn)裝置示意圖22。通過(guò)這種機(jī)械剝離產(chǎn)生的單晶片純度高、清潔度好，基本特性保持度高，并可用于制造單獨(dú)的器件。然而，這種方法是不可擴(kuò)展的，并且不允許精確地控制片層的厚度和大校另一種常用的方法是液相剝離，即先插層后剝離25-32。在插層中，通常使用有機(jī)金屬離子進(jìn)入層間，削弱范德華鍵(圖1.4)。在合適的溶劑下，塊狀材料在液體中還可以通過(guò)超聲作用剝離(可以破壞弱的范德華鍵，但不能破壞強(qiáng)的共價(jià)鍵)33-40，然后利用超聲波來(lái)獲得想要的層數(shù)。通過(guò)這種方法可以大規(guī)模的生成單層TMDs，但缺點(diǎn)是反應(yīng)溫度較高，反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，反應(yīng)機(jī)理比較復(fù)雜。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]Recent progress in devices and circuits based on wafer-scale transition metal dichalcogenides[J]. Hongwei TANG,Haima ZHANG,Xinyu CHEN,Yin WANG,Xinzhi ZHANG,Puyang CAI,Wenzhong BAO.  Science China（Information Sciences）. 2019(12)



本文編號(hào)：3538729