二维层状材料中缺陷的光谱学研究及性能调控

摘要

二维材料（如石墨烯、过渡金属硫属化合物等）具有优异的电学和光学性能，有望应用于未来纳米电子和光电子器件中。然而，二维材料中存在的不同类型的缺陷对其性能有很大的影响。拉曼和光致发光光谱等光谱学表征方法因其无损和高灵敏度等特点，已经广泛地应用于二维材料中的缺陷表征中。本论文利用拉曼和光致发光光谱分别研究了电子束和氩等离子体辐照单层二硒化钨引入的缺陷，以及化学刻蚀溶剂对铜表面生长石墨烯性能的影响。通过低温光致发光光谱和拉曼光谱表征探测缺陷的浓度和类型，并进一步实现对二维材料的电学、光电和热学等性能的调控。本论文的主要研究内容包括:
　　1.研究电子束辐照对二硒化钨的光学和电学性能的影响。(1)实验结果表明电子束辐照能够在单层二硒化钨中引入缺陷。通过测试低温光致发光光谱，发现由于激子被束缚于缺陷态，使得光致发光光谱中出现束缚态激子峰，随着温度的升高束缚激子发光逐渐消失。(2)通过光谱学方法得到了电学性能与缺陷浓度的直接关联。实验发现增加二硒化钨上的电子辐照剂量，束缚态激子发光越来越强，并且近视成线性关系。电学性能测试结果表明，随着缺陷密度的增加，迁移率逐步降低，主要是由于电子束辐照在二硒化钨中引入的缺陷作为载流子散射源所导致。(3)利用转移电极的方法制备微型二硒化钨电学器件，避免电子束曝光制备器件过程中对二维材料样品的辐照损伤，实现了高迁移率的二硒化钨器件。
　　2.研究氩等离子体辐照对二硒化钨光学性质的影响。(1)实验研究发现氩等离子体处理单层二硒化钨后，其低温光致发光光谱会出现两个新的由缺陷激活的光致发光峰。功率和温度的依赖性表明这些光致发光峰是激子被束缚到不同类型的缺陷态所发射的。浅能级的缺陷态发光源于激子被束缚在硒空位缺陷处的辐射复合，而深能级的发光可能源于其他类型的缺陷，如钨空位，空位团簇，旋转缺陷或者反位缺陷等。(2)将此缺陷发光与电子束辐照处理的样品进行对比，发现电子柬辐照初期只出现浅能级缺陷发光峰，对应于硒空位缺陷的形成;而随着辐射量的增大，也会逐渐出现深能级的缺陷发光峰。通过此实验，我们可以可控的在二硒化钨中引入不同类型的缺陷，有望实现对其光学和电学性能的调控。
　　3.研究在化学气相沉积法生长石墨烯的转移过程中，不同化学刻蚀溶剂（例如过硫酸铵、氯化铁和硝酸铁等）对铜表面生长石墨烯性能的影响。(1)拉曼光谱研究表明，由于在转移过程中含铁化合物残留在石墨烯上，导致石墨烯的空穴掺杂和声子寿命的减短。(2)利用拉曼测试了不同化学溶剂转移的石墨烯样品的热导率，发现三氯化铁和硝酸铁转移的样品的热导率明显低于过硫酸铵转移的样品的热导率，证明石墨烯表面缺陷对其热传导性能有巨大影响。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 二维材料的缺陷类型和缺陷对其性能的影响

1．2．1 缺陷的类型

1．2．2 缺陷的影响

1．3 缺陷的拉曼光谱研究

1．3．1 石墨烯中缺陷的拉曼光谱表征

1．3．2 TMDs中缺陷的拉曼光谱表征

1．4 缺陷的光致发光光谱表征

1．4．1 缺陷激活的光致发光

1．4．2 光致发光光谱研究TMDs的边界和晶界

1．5 本章总结

1．6 本论文的研究内容和意义

参考文献

第二章 电子束辐照对单层WSe2光学和电学性能的影响

2．1 引言

2．2 单层WSe2样品的制备、表征和处理的方法

2．2．1 样品的制备、光学表征和透射电子显微镜表征

2．2．2 电学表征及电子束曝光处理样品

2．3 实验结果及讨论

2．3．1 单层WSe2中缺陷激活的光致发光

2．3．2 单层WSe2样品中束缚激子和激活能

2．3．3 单层WSe2器件中缺陷限制的迁移率

2．3．4 光致发光与迁移率的对应关系

2．2．5 转移电极方式制备化学气相沉积法生长WSe2器件

2．3 本章总结

参考文献

第三章 氩等离子体辐照对单层WSe2的光学性能的影响

3．1 引言

3．2 单层WSe2样品的制备、表征及处理的方法

3．3 实验结果与讨论

3．3．1 单层WSe2中缺陷激活的光致发光

3．2．2 单层WSe2样品中束缚激子和激活能

3．3．3 分析和讨论

3．3 本章总结

参考文献

第四章 缺陷对CVD石墨烯的光学和热导性能的影响

4．1 引言

4．2 石墨烯的制备、转移以及表征方法

4．3 实验结果与讨论

4．3．1 化学溶剂残余对石墨烯光学性能的影响

4．3．2 化学溶剂残余对热导性能的影响

4．4 本章总结

参考文献

第五章 总结和展望

5．1 主要研究成果

5．2 展望

致谢

攻读博士期间发表论文