二维金属硫族化合物的化学气相输运法合成及性质研究
发布时间：2022-02-15 01:40
二维金属硫族化合物（MDs）具有丰富的化学组成和晶体结构,赋予了其丰富的物理化学性质和广阔的应用前景,但同时也为材料的可控合成带来了挑战。化学气相输运法（CVT）是常用的晶体合成方法,可合成大部分MDs宏观晶体,为通过机械剥离法制备二维晶体提供了高质量的母体材料。机械剥离过程可保持材料的本征性质,但剥离的晶体形状、层数与尺寸不可控,难以实现大规模应用。本论文创新性地提出利用CVT法一步合成二维晶体的新思路。论文以建立二维晶体材料的CVT合成新方法为目标,以调控传输速率为切入点,将合成晶体的厚度由毫米尺度减小到纳米尺度,实现了Mo S2、Pt Se2等二维晶体的控制合成,展示了该方法兼具高质量、普适性与可控性,为二维MDs的可控合成和性质研究提供了重要基础。本论文的主要内容包括以下三个方面:1.二维Mo S2的化学气相输运法合成及性质研究。以最具代表性的二维Mo S2的可控合成为起点,通过对反应历程和反应机理的分析,研究了各个反应条件对生长结果的影响。综合各种结构和性质的表征手段,证实了该方法制备得到...
【文章来源】：清华大学北京市211工程院校985工程院校教育部直属院校
【文章页数】：135 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
（a）MoS2的晶体结构[34]；（b）不同晶型的TMDs的晶体结构[35]
第1章绪论4在一条能带中间，因此材料表现出金属性。图1.3不同构型的TMDs发生的d轨道能级劈裂示意图[37]，（a）2H构型；（b）1T构型。除了构型对电学性质的影响之外，不同的金属原子有着不同的d电子数目，因而也会导致电学性质的巨大差异，由于TMDs材料有着庞大的化学组成，因此该类材料具有丰富的电学性质[38]。除此之外，电学性质的层数效应是二维TMDs材料体系中最为显著的性质之一。大部分的半导体性TMDs的能带间隙都表现出显著的层数依赖性，如研究最为广泛的MoS2，其单层结构的带隙约1.9eV，而块体材料的带隙则为约1.2eV。同时，随着材料厚度的增加，其能带结构发生了由直接带隙向间接带隙的转变（图1.4）[39]。最近，人们发现PtSe2材料呈现出整个TMDs家族中最为显著的电学性质层数效应，单层的PtSe2表现为半导体性，而在仅仅增加几个原子层厚度之后，材料的电学性质就发生了向金属性的转变（图1.5）[40–42]。人们认为这样显著的层数效应与层与层之间的相互作用有关，当两层材料相互靠近时，原子的轨道之间发生相互作用，由于硫族元素原子在三明治结构的外层，因此其相互作用强，形成的反键轨道能量更高，而成键轨道的能量更低。相对地，金属原子在三明治结构的内层，相互之间的作用较弱。因此当材料的价带顶或导带底主要是由硫族元素原子的原子轨道贡献时，能带结构就会随着层数的变化产生更为显著的变化。而如果材料的价带顶或导带底主要是由金属原子的原子轨道所贡献的，层数效应就相对没有那么明显。上面提到的PtSe2和MoS2就分别属于这两种不同的情况[41]。
第1章绪论5图1.4MoS2的能带结构随层数变化的关系[39]。图1.5单层（a）和块体（b）PtSe2的能带结构对比[40]。除了上面所述的两种典型材料，人们也结合理论计算和角分辨电子能谱（Angle-ResolvedPhotoemissionSpectroscopy，ARPES）以及紫外光电子能谱（UltravioletPhotoelectronSpectroscopy，UPS）等实验证据，对TMDs的能带间隙进行了统计。大部分TMDs的电学性质都表现出层数效应（图1.6）[43]，且材料的能带间隙基本覆盖了0-2eV的范围，因此我们很容易能够在TMDs的家族中找到具有合适带隙的材料使其符合在特定场景下的应用。这使得TMDs在纳电子器件领域表现出其他材料体系所不能比拟的应用前景。图1.6TMDs的能带间隙对比[43]。除了上文提到的比较常见的半导体性和金属性的电学输运行为，TMDs材料还
本文编号：3625657
【文章来源】：清华大学北京市211工程院校985工程院校教育部直属院校
【文章页数】：135 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
（a）MoS2的晶体结构[34]；（b）不同晶型的TMDs的晶体结构[35]
第1章绪论4在一条能带中间，因此材料表现出金属性。图1.3不同构型的TMDs发生的d轨道能级劈裂示意图[37]，（a）2H构型；（b）1T构型。除了构型对电学性质的影响之外，不同的金属原子有着不同的d电子数目，因而也会导致电学性质的巨大差异，由于TMDs材料有着庞大的化学组成，因此该类材料具有丰富的电学性质[38]。除此之外，电学性质的层数效应是二维TMDs材料体系中最为显著的性质之一。大部分的半导体性TMDs的能带间隙都表现出显著的层数依赖性，如研究最为广泛的MoS2，其单层结构的带隙约1.9eV，而块体材料的带隙则为约1.2eV。同时，随着材料厚度的增加，其能带结构发生了由直接带隙向间接带隙的转变（图1.4）[39]。最近，人们发现PtSe2材料呈现出整个TMDs家族中最为显著的电学性质层数效应，单层的PtSe2表现为半导体性，而在仅仅增加几个原子层厚度之后，材料的电学性质就发生了向金属性的转变（图1.5）[40–42]。人们认为这样显著的层数效应与层与层之间的相互作用有关，当两层材料相互靠近时，原子的轨道之间发生相互作用，由于硫族元素原子在三明治结构的外层，因此其相互作用强，形成的反键轨道能量更高，而成键轨道的能量更低。相对地，金属原子在三明治结构的内层，相互之间的作用较弱。因此当材料的价带顶或导带底主要是由硫族元素原子的原子轨道贡献时，能带结构就会随着层数的变化产生更为显著的变化。而如果材料的价带顶或导带底主要是由金属原子的原子轨道所贡献的，层数效应就相对没有那么明显。上面提到的PtSe2和MoS2就分别属于这两种不同的情况[41]。
第1章绪论5图1.4MoS2的能带结构随层数变化的关系[39]。图1.5单层（a）和块体（b）PtSe2的能带结构对比[40]。除了上面所述的两种典型材料，人们也结合理论计算和角分辨电子能谱（Angle-ResolvedPhotoemissionSpectroscopy，ARPES）以及紫外光电子能谱（UltravioletPhotoelectronSpectroscopy，UPS）等实验证据，对TMDs的能带间隙进行了统计。大部分TMDs的电学性质都表现出层数效应（图1.6）[43]，且材料的能带间隙基本覆盖了0-2eV的范围，因此我们很容易能够在TMDs的家族中找到具有合适带隙的材料使其符合在特定场景下的应用。这使得TMDs在纳电子器件领域表现出其他材料体系所不能比拟的应用前景。图1.6TMDs的能带间隙对比[43]。除了上文提到的比较常见的半导体性和金属性的电学输运行为，TMDs材料还
本文编号：3625657
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