4.2.2XPS 分析18

4.3WS2 的光学性能测试 ·19

4.3.1WS2 的 Raman 光谱分析 ·19

4.3.2光致发光光谱(PL)分析 20

4.4基于 WS2 的光电探测器 20

4.4.1电学性能 

4.4.2WS2 的光电性能 21

结论 24

致谢 26

参 考 文 献

1绪论

1.1引言

自从 2004 年，Geim 和 Novoselov 通过机械剥离法成功制备出单层石墨烯[1]以来，人们对 其性质进行了一系列的研究。石墨烯(Graphene)是由碳原子以 sp 杂化方式构成的蜂窝状二维 晶体，仅有单个原子厚[2]。由于其独特的电子结构[3]，石墨烯展现出优异的光学[4]、电学[5]、 磁学[6]、热学[7]和力学[8]性能，在世界范围内引起了极大的研究热情。但是本征石墨烯的带隙 为零，具有半金属性。通过化学掺杂[9]、制成纳米带[10]等方法可以获得带隙，但是这些方法， 不仅工艺复杂、重复性差，还不可避免地带来性能上的牺牲。这很大程度上限制了石墨烯在 纳米光电子领域的应用。

作为对石墨烯的替代与补充，具有一定带隙的二维过渡金属二硫族化物等，因其奇特的物理性质而成为纳米科学的研

究热点。此类二维材料由厚度仅为数个原子的二维单层堆积而成，拥有适当的带隙和较大的 比表面积，可以作为非常有前景的通道材料应用于场效应晶体管，对可见光的快速响应可应 用于光开关和光探测器领域，对气体的超敏感性也可应用于气体探测中[13]。制备 TMDCs 的 常用方法简单而方便，如微机械剥离法[14]和化学气相沉积(CVD)法[15]，不仅适用于实验室基 础研究也可实现大规模生产以进行复杂电子器件的设计。

1.2 过渡金属二硫族化物

1.2.1  TMDCs 的晶体结构

TMDCs 的分子式可统一写作 MX2，其种类如图 1.1 所示，M 表示过渡金属元素，X 表示 硫族元素(S、Se、Te)。层状 TMDCs 的结构如图 1.2[16]所示，蓝色的为 M 原子，黄色的为 X 原子。这些材料以 X-M-X 的形式，通过较强的离子键连接在一起，形成层状三明治结构。而 在体材中，与石墨烯类似，TMDCs 的层间也是依靠范德华力结合。单层 TMDCs 中，M 原子 有三方棱柱配位和八面体配位两种配位方式，因而形成三棱柱晶型(图 a)和八面体晶型(图 b)。 由于配位方式和层间堆垛方式的不同，体相 TMDCs 存在多种晶体结构，其中最为典型的有 三种，如图(c) ~ (e)所示，分别为 1T、2H 和 3R[17]。其中 1T 为八面体晶型，四方对称，每个 晶胞只包含 1 个 M 原子和 2 个 X 原子。2H 为三棱柱晶型，六方紧密堆积，每个晶胞含有 2 个 M 原子和 4 个 X 原子。3R 也是三棱柱晶型，菱形对称，每个晶胞含有 3 个 M 原子和 6 个 X 原子。不同的配位方式也使 TMDCs 具有不同的电子结构，如 2H-MoS2 和 2H-WS2 表现出 半导体性，而 1T- MoS2 和 1T -WS2 则具有金属性。

图 1.1 层状 TMDCs 的种类

图 1.2 层状 TMDCs 的晶体结构

1.2.2单层和少层 TMDCs 的性质

由于表面效应和量子限制效应的存在，使得较薄的 TMDCs 存在与体相截然不同的性能， 甚至层数不同的 TMDCs 的性质也有明显区别。体相的半导体 2H 相 TMDCs，如 WS2 和 MoS2， 具有一个较小的间接带隙，而随着层数减少，带隙逐渐增大[18]，当层数减少至单层时，变为 直接带隙[19]，且其光致发光强度相对于体相提高了几个数量级。例外的是，NbS2 和 ReS2 的 电子结构并不随着层数的变化而改变[20]。

1.3  TMDCs 的制备方法

与体相 TMDCs 相比，单层和少层的 TMDCs 具有许多优异的性能。因此，合成原子级 厚度的单晶是实现各种应用的前提和关键。与石墨类似，体相 TMDCs 层间的相互作用力是 较弱的范德华力，因此可以采用剥离的手段将体相 TMDCs 减小至原子层厚度。到目前为止， 人们已经发现了许多种合成单层和少层 TMDCs 的方法，这些方法可以被分为两类，即自上 而下和自下而上的方法。常见的自上而下的方法有微机械剥离法、化学剥离法（液相剥离和 锂离子插层剥离）。自下而上的合成方法是依靠前驱体分子的定向或者自组装来合成少层或单 层的 TMDCs，化学气相沉积法是其中应用最广的方法，其它的方法如在基底上的范德华外延 生长和湿化学合成方法（水热法等）也可以用于合成 TMDCs。