二硫化钨二维原子晶体的可控生长与性能研究

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二维材料因为其优良的机械、电学、光学等特性,受到材料学领域的广泛关注。过渡金属硫族化合物作为二维材料中的重要一员,如MoS2、MoSe2、WS2、WSe2、MoTe2、WTe2等,同样具有许多奇特的物理特性,研究表明其在晶体管、光电探测器、光伏电池等方面具有极大的应用前景,是构筑下一代电子学、光电子学器件的理想材料;目前制备的主要方法有微机械剥离法、化学剥离法、化学气相沉积法、水热合成法等。选择合适的制备方法与工艺,以实现二维过渡金属硫属化合物大面积、高质量的可控制备,对未来大规模的生产应用显得至关重要。本论文主要研究的是围绕利用化学气相沉积法,对大尺寸单层、多层、异质结以及大面积WS2薄膜的可控制备,系统研究了制备过程中,生长工艺及条件参数对WS2薄膜尺寸、形貌和结晶质量的影响,利用光学显微镜、拉曼光谱(Raman)以及AFM等设备对得到的图片、数据进行分析,判断样品尺寸、层数、PL等信息。主要研究内容如下:(1)采用化学气相沉积法(CVD),以S粉为硫源,WO3粉末为钨源,Si/SiO2(300nm)为生长基底,Ar气为载运气体,生长不同层数的WS2薄膜以及大面积全覆盖WS2薄膜。研究结果表明:在700℃?1000℃范围内皆可以生长WS2薄膜,对于单层WS2薄膜会呈现出不同的形貌及荧光特征,通过荧光显微镜可以观察到单层WS2薄膜荧光时效变化。最终获得最大单层WS2尺寸可达到500μm,双层可达250μm;通过改善工艺可以在1cm×1cm的Si/SiO2(300nm)衬底生长以单层为主的WS2连续薄膜;并且对了单层、双层WS2原子层薄膜的光电响应特性进行了研究。(2)采用化学气相沉积法(CVD),以S粉为硫源,WO3粉末为钨源,MoO3为钼源,制备了关于WS2/MoS2掺杂及异质结;通过控制生长工艺,制备出具有掺杂梯度变化的WS2-WxMo(1-x)S2-MoS2薄膜,并且这种梯度的变化与源的浓度关系密切;通过改变升温速率制备出垂直异质结。
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