基于二维WS2/MoS2垂直异质结的光电性能研究

摘要

二维原子层状半导体材料具备独特的电子结构和量子限域效应，且层间弱的范德华作用力使其不仅可以被直接剥离，还可以根据需求实现对不同二维材料的重新组装，而不需要考虑晶格匹配的问题。二维范德华异质结是将两种或两种以上的二维材料整合到一起，它能够赋予体系相比单组分材料更多的额外新功能，而且其结构设计灵活，并依托于丰富的二维材料体系，特别是带隙丰富的二维过渡金属硫族化合物（TMDs）大家族，为材料新性能的开发以及微纳电子器件的多功能集成化研究提供了广阔的平台。二维范德华异质结通过层间耦合能够引发的许多新奇的物理性质或现象，特别是针对异质结普适性规律的发现，目前正是研究的热点。本论文在现有的研究基础上，以最常见的WS2/MoS2异质结为研究对象，对该异质结层间耦合导致的在光学或光电探测领域的一些新性质、新应用等进行了研究，主要研究内容如下： 1.通过机械剥离及定点转移制备了少层WS2/MoS2异质结，首次研究了基于该异质结的红外探测性能。由于二维WS2和MoS2本征带隙的限制，单独材料并没有红外（1030nm）探测能力，但形成异质结之后，Ⅱ类异质结的层间强耦合缩短了异质结区的能量间隔，使异质结比单组分材料具有对更长波长的探测能力。此外，针对间接带隙材料光吸收弱的问题，利用阳极氧化铝（AAO）模板蒸镀法制备了金纳米颗粒（Au NPs）并修饰到器件表面，通过表面等离子体共振（SPR）效应将异质结的红外（1030nm）响应度提升了25倍，并同时保持了较快的响应速度。这种层间耦合诱导红外光探测和SPR增强策略为高性能红外光探测器的研究提供了新的设计思路。 2.基于化学气相沉积（CVD）生长的单层MoS2和WS2通过机械转移构筑了WS2/MoS2双层异质结，然后采用栅压调控异质结的二次谐波（SHG），探索其与层间堆垛方式、材料电子结构变化甚至晶相变化之间的关系。结构与性质是息息相关的，层间堆垛方式对异质结的层间耦合强度具有重要的影响。对于机械转移搭建的异质结来说，层间堆垛通常是偏离理想状态的，层间位移、转角、缺陷等均影响着异质结的耦合强度和相关物理性质。异质结的光学SHG信号与异质结的堆垛方式具有强的相关性，能够敏感地反映出晶体的对称性及晶体取向。因此若能实现通过SHG作为探针对层间堆垛方式进行检测，并能通过栅压或电场调控改变异质结的堆垛方式、电子结构及耦合强度，将对于未来的异质结研究将有重要的指导意义。

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摘 要

ABSTRACT

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第一章 绪 论

1.1 二维过渡金属硫属化合物（TMDs）的兴起与发展

1.2 二维TMDs的结构

1.2.1 二维TMDs的晶体结构与电子结构

1.2.2 二维TMDs的基本性质

1.3 二维TMDs异质结的构筑和光电性能研究

1.3.1 二维TMDs异质结的电子结构

1.3.2 二维TMDs异质结的构筑

1.3.3 二维TMDs异质结的光电性能研究

1.4 本论文的研究意义及内容

第二章 二维WS2/MoS2异质结的光电探测研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 实验试剂及仪器

2.2.2 实验方法

2.3 结果与讨论

2.3.1 物相与结构分析

2.3.2 光电器件

2.4 本章小结

第三章 电场调控对双层WS2/MoS2异质结二次谐波及层间堆垛方式的影响

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 实验试剂及仪器

3.2.2 实验方法

3.3 结果与讨论

3.3.1 物相及结构表征

3.4 本章小结

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文