钒原子掺杂二硫化钨二维原子晶体的化学气相沉积法制备及性能研究

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近年来,随着石墨烯的发现,二维材料进入了人们的视野,其中二维层状过渡金属硫属化合物(TMDCs)作为二维材料中重要的一部分,有着最轻、最薄、极佳的导热导电性等优秀的物理性能,以WS2、MoS2为代表,在晶体管、光电探测器,柔性器件等领域有广阔的应用前景,是构建下一代光电子器件的候选材料。虽然其性能独特,但是单一的TMDCs无法同时应用在多个领域,所以需要对TMDCs进行异质结的构建或者掺杂,将原有性能进行改善,赋予其更多的物理特性。同时不同领域对二维材料的质量与尺寸有着不同的要求,所以对生长条件进行探索总结,满足不同应用领域的需求,实现掺杂样品的可控制备也是今后需要重点解决的问题之一。本论文主要围绕低压化学气相沉积法(CVD),对V掺杂的WS2二维晶体进行了生长,并系统研究了生长过程中不同因素对V掺杂WS2二维晶体的形貌及掺杂浓度的影响,达到了可控生长的目的,并进行了电输运性能的测试,主要研究内容如下:(1)通过化学气相沉积法,以S粉为硫源,WO3为钨源,V2O5为钒源,Si/SiO2(300nm)为基底,一步法制备了V掺杂的WS2二维晶体,通过改变V掺杂WS2二维晶体不同生长条件,可以在1×1cm的基片上获得分散性较好的单层V掺杂WS2和接近连续的单层掺杂薄膜;使用两步法,S粉作为硫源,V2O5粉末作为V源,长有WS2的Si/SiO2(300nm)基片作为基底,获得了在原有WS2上外延生长的V掺杂WS2二维晶体;对一步法和两步法的生长规律进行了探索与总结,达到了V掺杂WS2二维晶体可控制备的目的。(2)对V掺杂的WS2样品进行了线性拉曼(Raman)、光致发光(PL)谱,变温Raman及PL、透射电镜(TEM)等分析表征,观察到了室温下PL的劈裂现象;发现单层V掺杂的WS2二维晶体中存在浓度梯度,其中V最大的掺杂浓度约为9.8%;将V掺杂的WS2二维晶体制备成场效应晶体管(FET)进行了电输运性能的测试,其载流子类型为p型,达到了改变WS2性能的目的;掺杂样品在2K时随着外加磁场的增强电阻变小,在30K时随着外加磁场的增强电阻变大,存在铁磁顺磁转变,通过V的掺杂诱发了WS2的磁性。
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