二維傳感器材料的合成及化學(xué)成分空間結(jié)構(gòu)分布調(diào)制.pdf

1、由于零的帶隙，石墨烯在電子和光電子領(lǐng)域的應(yīng)用受到了極大限制。以單層MoS2為代表的二維過(guò)渡金屬二硫族化合物(2D-TMDs)有非零帶隙，這引起了人們的極大興趣。以2D-TMDs為代表的二維半導(dǎo)體材料由于其擁有超薄、柔性、半導(dǎo)體性（合適的帶隙）、豐富的激子動(dòng)力學(xué)、谷極化、極高的比表面、低成本等一系列性質(zhì)在新一代傳感器領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景。
　　為了充分開(kāi)發(fā)這些二維半導(dǎo)體材料在電子和光電子領(lǐng)域以及基于二維電子、光電子的新型傳感器領(lǐng)域

2、的應(yīng)用潛力，需要精確調(diào)制這些二維原子晶體的化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)、和電子性質(zhì)及其成分的空間分布，本文要內(nèi)容包括如下幾點(diǎn):
　　(1)我們首先合成了基本的2D-TMDs，在此基礎(chǔ)上，采用橫向異質(zhì)外延和原位改變反應(yīng)物的策略，在國(guó)際上率先生長(zhǎng)了二維半導(dǎo)體橫向異質(zhì)結(jié)，得到了二維WS2-WSe2、MoS2-MoSe2橫向異質(zhì)結(jié)。異質(zhì)結(jié)在光學(xué)顯微鏡和在原子力顯微下(AFM)呈現(xiàn)規(guī)則的三角形等形狀，厚度均勻，表面光滑，樣品為單層、雙層或少層。拉曼和熒光

3、研究表明實(shí)現(xiàn)了不同二維半導(dǎo)體在空間分布上的調(diào)制，不同的二維半導(dǎo)體（如WS2和WSe2）在光學(xué)分辨極限下沒(méi)有明顯的重疊和空隙，異質(zhì)結(jié)中不同的二維半導(dǎo)體是無(wú)縫連接的。透射電鏡和電子衍射研究表明了異質(zhì)的單晶結(jié)構(gòu)。用X射線能譜儀進(jìn)行的元素分布研究表明實(shí)現(xiàn)了對(duì)異質(zhì)結(jié)成分的空間分布的調(diào)制。用原子級(jí)薄的WSe2-WS2異質(zhì)結(jié)制備了電子、光電子器件，包括二極管和三極管，器件顯示出優(yōu)秀整流行為和光電流產(chǎn)生行為。我們還指出了二維半導(dǎo)體橫向異質(zhì)結(jié)在傳感器的可

4、能應(yīng)用。在制備的橫向異質(zhì)結(jié)的基礎(chǔ)上，提出了二維異質(zhì)結(jié)中“界面”向“界線”變的概念。
　　(2)為了充分開(kāi)發(fā)2D-TMDs等二維半導(dǎo)體在傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，精確控制這些二維半導(dǎo)體的帶隙和電子性質(zhì)是很必要的。我們首先合成了二維WS2xSe2-2x半導(dǎo)體合金納米片，控制了合金的成分。微拉曼研究表明了拉曼共振頻率隨著成份變化的連續(xù)變化。微熒光研究顯示了熒光峰的位置隨著成份連續(xù)變化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)合金納米片的能帶帶隙的調(diào)控。透射電鏡研究證實(shí)了合

5、金納米片是均勻的單晶結(jié)構(gòu)，結(jié)晶質(zhì)量良好，合金納米片的晶格參數(shù)隨著成份連續(xù)變化。電性能的研究表明二維WS2xSe2-2x半導(dǎo)體合金納米片的電子學(xué)性質(zhì)，包括載流子類型和濃度、閥電壓、載流子遷移率隨著合金化學(xué)成份連續(xù)變化。本研究是設(shè)計(jì)具有可控響應(yīng)和器件特性的二維電子、光電子器件以及建立在二維電子、光電子基礎(chǔ)之上的傳感器過(guò)程中的關(guān)鍵一步。
　　(3)我們對(duì)2D-WS2進(jìn)行了高溫P蒸汽處理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)2D-WS2的電子學(xué)性能的控制。光學(xué)顯微鏡

6、表明P摻雜不改變納米片的外觀，AFM顯示我們的樣品是單層和少層樣品。微拉曼研究表明了P摻雜基本不明顯改變樣品的聲子結(jié)構(gòu)。微熒光研究表明P摻雜一定程度改變了納米片的電子結(jié)構(gòu)。電性能的研究表明P摻雜改變了納米片的半導(dǎo)體特性，摻雜后的2D-WS2可控地呈現(xiàn)為n型、雙極性和P型半導(dǎo)體特性。研究成果為建立在二維半導(dǎo)體基礎(chǔ)之上的小型化、柔性化、集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化傳感器的設(shè)計(jì)制備奠定了基礎(chǔ)。
　　本論文的研究成功地控制了二維半導(dǎo)體的成份、結(jié)