WS2二维单晶制备及荧光特性研究

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石墨烯的发现引发了二维层状结构材料的研究。在众多二维材料中,过渡金属硫化物(TMDC)半导体因其优异的电学和光电子特性而被广泛认为是最有发展前途的一种。二硫化钨(WS2)就是这样一种TMDC,它具有高载流子迁移率、可调的带隙、强的光与物质相互作用、大的激子结合能、大的自旋分裂和偏振光发射等优异的特性。然而对于WS2的生长制备技术仍落后于其他TMDC,如二硫化钼。近年来,研究人员认为CVD是WS2生长的一种有效方法。尽管WS2单晶已经通过CVD方法获得了几百微米的大小,然而传统CVD方法中将WO3和S粉暴露在同一气流下,在生长阶段WO3被硫化而“中毒”,导致WS2生长受阻。所以生长WS2单晶的可重复性及均匀性仍然较差,制备规律仍有待于被研究。本文设计一种将硫与三氧化钨分离的石英管结构,通过调控生长参数,生长出不同尺寸大小、形态、层数的WS2单晶。论文主要内容如下:首先,分析了WS2单晶的生长机制,影响WS2单晶生长的因素。通过常压化学气相沉积法,在蓝宝石基底上生长出WS2单晶,并且分别详细探究了温度、w源的浓度、生长时间、H2的量、Na Cl溶液等制备工艺参数对WS2单晶大小的影响;改变S蒸发温度生长出单层和双层的WS2单晶;改变W/S相对比值制备出三角和六边WS2单晶。通过在一个大气压下优化生长条件,我们获得了平均尺寸超过400μm的WS2单晶。其次,通过SEM、AFM、拉曼光谱等表征方式说明生长的WS2单晶表面光滑平整,具有原子层厚度等特点。采用湿法转移的方式将WS2单晶转移到Si O2/Si基底上,通过紫外曝光进行光刻,并用热蒸发仪器镀Ti/Au电极,制作成晶体管,测量WS2单晶的电学性能。最后,研究了单层WS2单晶的荧光特性。探究了S量、温度、功率、基底等对因素对WS2晶体荧光性质的影响,解释了单晶WS2的PL空间不均匀性的原因,并通过空气中退火的方式对WS2晶体进行P掺杂,提升荧光效应。
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