MoS2晶体分布均匀性调控及制备工艺研究

摘要

自石墨烯发现以来，二维纳米材料由于其优异的机械、光学、电学等性质受到了各个领域研究者们的广泛关注。二维二硫化钼（MoS2）作为一种经典过渡金属硫化物（TMDs）材料，已经在催化、传感、光电检测等领域展现出了巨大的应用潜力。不断成熟的应用领域推动了MoS2材料的制备研究，但二维MoS2的制备技术和形貌调控手段仍然存在着许多问题与挑战。本文针对MoS2在生长基底上普遍存在的分布均匀性问题进行研究，并对MoS2的制备工艺，尤其是对化学气相沉积法（CVD）进行研究，借助有限元工具辅助探索分析材料分布均匀性的影响机理，并改善MoS2在基底上的分布均匀性。文章主要研究工作如下：　　首先通过CVD方法在Si/SiO2基底上制备了MoS2材料，并通过光学显微镜、原子力显微镜和拉曼光谱等表征技术对材料进行了表征。结果表明基底边缘区域和中间区域的MoS2生长状况差别较大，表现出边缘区域晶体少但尺寸大，质量高；中间区域晶体数量多但是尺寸小，且发生重叠生长的现象，边缘-中间尺寸差异达到了14μm，且材料有效生长区域大小为1.2cm2。　　通过引入有限元方法（FEM），建立了CVD法制备MoS2的有限元模型，并验证了其有效性和准确性。通过有限元方法辅助，提取了可能影响基底上MoS2分布均匀性的因素，包括基底表面压力，温度和载气流速。通过对比分析三种因素对边缘-中间区域的影响，最终得出基底上载气流速是影响MoS2分布均匀性的关键因素。深入分析了基底表面载气流速分布，发现基底上方的速度等值线到基底的距离存在边缘-中间差异，边缘区域的低流速区域厚度比中间区域的要厚。　　从气态反应物分子在基底表面吸附形核的角度着手，结合边界层理论，分析CVD过程中反应物分子在边界层中的运动，提出了生长面朝上的基底摆放方法，并通过有限元仿真对改进方法进行预测。仿真结果表明改进方法基底上载气流速分布均匀，并且截面上的速度等值线到基底的距离也几乎相同，消除了边缘-中间差异，预测改进方法能够提升基底上MoS2分布均匀性。通过实验对改进方法有效性和仿真预测结果准确性进行验证，对实验的表征结果表明，MoS2在基底上呈均匀分布，生长质量较好，尺寸差异约为3μm，且生长区域覆盖了整个基底，约为3cm2。　　本文结合有限元方法和实验对二维材料的形貌分布及其潜在影响因素进行了研究，为提升MoS2在基底上的分布均匀性及新型制备方法提供了新的思路，对新型器件的设计开发具有一定指导意义。

目录

1 绪论

1.1 引言

1.2 MoS2性质及应用

1.3 MoS2制备方法

1.3.1 机械剥离法

1.3.2 液相剥离法

1.3.3 离子嵌入液相剥离法

1.3.4 水热合成法

1.3.5 化学气相沉积法

1.4 MoS2生长研究现状

1.5 选题意义和研究内容

1.6 本章小结

2 化学气相沉积法制备 MoS2及表征

2. 1. 1实验试剂

2.1.2 CVD设备

2.2 MoS2的表征方法

2.2.1 光学显微镜

2.2.2 原子力显微镜

2.2.3 拉曼光谱

2.3.1 MoS2的制备

2.3.2 MoS2的表征

2.4 本章小结

3 有限元方法模拟 MoS2生长

3.1 COMSOL Multiphysicals 仿真流程介绍

3.2.1 固体传热场

3.2.2 层流场

3.3.1 有限元模型的验证

3.3.2 基底表面压力分析

3.3.3 基底表面温度分析

3.3.4 基底表面载气流速分析

3.4 本章小结

4 MoS2制备方法的优化研究

4.1 改进 MoS2均匀性方法的选择

4.2 改进方法的有限元仿真预测

4.3.1 Faceup 方法 MoS2晶体的制备

4.3.2 Faceup 方法 MoS2晶体的表征

4.4 本章小结

5 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录

C．学位论文数据集

致谢