二维铂基过渡金属硫族化合物的可控制备及其性质研究

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二维过渡金属硫族化合物(TMDs)由于其展现出原子级厚度的晶体特性而在纳米电子、光电子、催化和传感等领域具有广阔的应用前景。除了广泛研究的半导体TMDs材料外(例如,MoS2和WSe2),第10族铂基硫属化合物(PtX2)以其独特的结构和新颖的物理性质引起研究者的广泛关注。与多数常见的具有较少d电子的TMDs材料不同,二维PtX2材料的d轨道几乎被电子完全占据,并且层间硫属元素原子相应的p2轨道高度杂化,从而使其具有强的层数依赖性和层间相互作用。因此,二维PtX2材料表现出许多优异的特性,包括层数依赖的可调带隙、高的载流子迁移率和良好的空气稳定性。尽管二维PtX2作为一种新兴材料,具有众多优异的性质和广阔的应用前景,但实现大面积可控制备是进一步探索其基础研究和实际应用的前提。目前对PtX2材料的研究主要限于生产率低、晶畴尺寸小和层数不可控的机械剥离样品,无法满足大规模电子器件的应用需求。而化学气相沉积(CVD)被认为是合成高质量二维TMDs材料(例如,MoS2,WS2和ReS2)的有效方法。因此,本论文针对PtX2材料存在的难以外延生长问题,提出基于前驱体和基底设计思想,发展有效的CVD生长方法,实现大面积、高质量二维PtX2材料的可控制备,进而系统研究其性质并开发其应用。本论文具体研究内容如下:(1)金基底表面可控生长超薄单晶PtS2针对PtS2材料难以外延和易于垂直生长问题,选用低表面势垒金箔(Au)作为基底。利用Au对二维材料生长的催化作用,首次通过CVD法成功实现了单晶PtS2的可控生长,并系统研究了基底种类和生长温度对PtS2形貌及尺寸的影响。此外,通过构筑不同厚度的PtS2场效应晶体管,观察到其导电属性由金属到n型半导体的转变。在激光辐照下,薄层PtS2表现出明显的光电响应特性。鉴于厚层PtS2良好的导电性,将其应用于电催化析氢反应(HER),Tafel斜率低至40 mV/dec(Pt电极:31 mV/dec),证明所制备PtS2可以作为高效的HER催化剂。(2)Au(001)晶面台阶诱导生长PtSe2纳米带在可控制备PtS2的基础上,将Au基底应用于生长PtSe2。通过在接近熔点处退火处理金箔,获得了主要为(001)晶面的Au基底,利用其表面的金属台阶,在Au(001)表面制备出厚度可调的PtSe2纳米带。结合DFT理论计算揭示了 Au(001)表面台阶诱导PtSe2纳米带高效生长的机制。此外,通过构筑不同厚度PtSe2的场效应晶体管,探究了其基本的电学和光电性质。鉴于PtSe2材料的带状结构使其边缘暴露出丰富的活性位点,将其应用于电催化析氢反应,低至37 mV/dec的Tafel斜率表明金属性PtSe2纳米带具有优异的催化性能。(3)二维Dirac半金属PtTe2的可控外延及其太赫兹光电检测由于PtTe2强的层间耦合作用以及Pt和Te原子低的迁移系数,使得其在常规基底上获得的晶畴尺寸较小。针对这一问题,本论文创新性地发展出低共熔体辅助的CVD生长方法,巧妙利用Te与Au形成二元低共熔体特性,有效降低了 Au基底的熔点。熔融的Au基底可以为原子迁移提供低的表面势垒,有利于二维PtTe2晶体的外延生长。通过控制PtTe2生长过程中前驱体Te的量,分别在固态和熔融Au基底上获得了条形和三角形PtTe2,揭示了其独特的各向异性和各向同性生长模式。此外,金属-PtTe2-金属结构的光电探测器在室温下实现了从0.04至0.3THz的宽带检测,并显示出高响应度和快响应速度。
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