类石墨烯二硫化钼的第一性原理研究 - 图文(10)

湘潭大学博士学位论文

图1-24 基于双层MoS2构筑的场效应管及其性能[118]

（2）光电子器件

作为直接带隙半导体，单层二硫化钼中的价带电子可以在不借助额外声子的情况下，通过吸收能量足够大的光子（大于带隙宽度）直接从价带跃迁到导带，这种垂直跃迁方式有效地提高了光子的利用率。因此，二硫化钼在单层厚度时它的直接带隙特征使其量子效率更高。

第一篇光电子器件是由新加坡南洋理工大学的Hua Zhang等人构建，该器件的开关时间短（50 ms）且光敏感系数高（1 mA/W）[128]，此外，二硫化钼的能带结构可以通过改变它的厚度实现连续调节。因此，研究者提供了一种思路，是否可以通过控制二硫化钼的厚度来获得不同的能隙，从而实现对不同波长的光进行有效探测？

2012年，韩国延世大学的Seongil Im课题组利用单层与双层MoS2探测绿光（两者的带隙分别为1.8 eV和1.65 eV，正好与绿光的波长范围匹配），而三层MoS2则可以探测红光（带隙为1.35 eV，与红光的波长范围匹配）[126]。将MoS2与二氧化钛半导体纳米复合材料和P3HT混合构建的异质结太阳能电池在模拟太阳光下转换效率可以达到

1.3 %[129]；A. Polman和H.A. Atwater提出，通过有效利用不同厚度二硫化钼具有不同的带隙宽度从而能对不同波长范围的光谱进行吸收这一特性，就能够设计出多结的吸收层材料，从而进一步提高太阳能电池光转化效率[127]。

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(a)

(b)

图1-25 基于MoS2的光探测器[126, 127]

除了对光的探测，MoS2在电致发光与光致发光等两种光产生方面也有应用[130]。电致发光和光致发光，顾名思义，一个是通过电的激励，另一个是通过光的激发而发光，如在电激励作用下，与Au颗粒接触后MoS2更容易激发出光子[131]；利用肖特基异质结的接触界面能够发生多子和少子的辐射复合这一现象，也能够通过将二硫化钼与Cr/Au电极接触来实现管子的有效激发[132]。通过光吸收，作为直接带隙半导体，单层的MoS2中的价带电子可以在不借助额外声子的情况下，通过吸收能量足够大的光子（大于带隙宽度）直接从价带跃迁到导带，而间接带隙的多层MoS2的量子效率为10-5到10-6，远低于直接带隙单层MoS2的4*10-3[87]。 （3）异质结构器件

将多种类石墨烯的二维原子晶体沿着垂直方向进行重新组合，可以构筑出一系列新型的异质结构，这种异质结构能够充分发挥各组成单元的优势，得到优异的物理性质和新奇的量子效应[16, 133, 134]。虽然基于单纯二硫化钼的器件研究仍然如火如荼，但是也有很多研究者开始关注由二硫化钼作为组成多元的异质结构及其相关器件的研究。

首个基于二硫化钼的异质结构器件来自英国曼彻斯特大学的A. K. Geim和K. S.

Novoselov课题组，他们利用剥离—转移方法构筑出Grephene/MoS2/Grephene“三明

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治”垂直异质结，将MoS2作为超薄隧穿层有效地减少电子泄漏，得到很好的优异的高频处理性能[135]。

(a)

(b)

(c)

(d)

图1-26 MoS2基异质结构器件：（a）MoS2/h-BN[136]；（b）MoS2/graphene[136]；（c）

（b）graphene/MoS2/graphene[138] MoS2/graphene[137]；

2012年Geim等人提出二维原子晶体异质结构[139]，到现在短短2-3年时间，多种垂直异质结构被设计和制备出来，其中基于MoS2的就有MoS2/Grephene[136-138, 140-145]、

MoS2/h-BN[144, 145]、MoS2/WS2[144-146]、MoS2/MoSe2[144, 147, 148]等。 （4）自旋电子器件和谷电子器件

在电子器件中，通常是电子流被用来作为数据传输的载体。最近更多的关注电子的其他性质以便用于存储和传输数据与信号，比如电子的自旋和量子态。自旋电子器件旨在利用和控制电子的量子自旋自由度来取代或结合传统电子器件中的电荷自由度；谷电子学与自旋电子学相对应，它是借助自旋电子学中对电子自旋的研究思路，对“谷”自旋自由度进行量子操控。

北京大学的王恩哥和牛谦教授课题组通过第一性原理计算方法分析了单层MoS2的光吸收效应，发现单层MoS2的能带在六边形布里渊区的顶点附近具有“谷”状结构，然而相邻顶点的谷并不等价，它们分别吸收左旋光和右旋光，具有近乎完美的选择性[149]。单层MoS2由于反演对称性的破坏和自旋轨道耦合相互作用下导致了单层

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MoS2存在自旋和谷耦合的物理现象。单层MoS2的能带在六边形布里渊区的顶点附近存在两个“谷”状结构，K+和 K– [150, 151]。在面内电场的存在下，单层MoS2中反演对称性的破坏也能导致谷的霍尔效应，在这里，载流子输运到相反横截面的边沿[149,

152]

。这些特性预示了单层MoS2在自旋电子器件和谷电子器件在集成电路中的潜在应

(b)

用。

(a)

图1-27 （a）谷极化[149]和（b）自旋和谷耦合示意图[153]

（5）传感器

二维的类石墨烯MoS2结构在传感器应用领域也有很好的前景。比如MoS2的气体传感器，因其具有大的比表面积以及奇异的二维层状结构特征非常有利于气体分子的吸附[154, 155]。

(a)

(b)

图1-28 基于MoS2的气体传感器[156, 157]

利用机械力剥离方法获得的单层和少层MoS2，Hua Zhang课题组[156]成功地构筑出了基于此的场效应晶体管器件，用于检测NO气体浓度，器件稳定性好、灵敏度高(如图 1-28 所示)。此外，他们还发现双层MoS2效果最佳。

新加坡南洋理工大学的Hua Zhang等[158]用将溶液插层剥离获得的二硫化2012年，

钼二维结构（纳米片）作为活性通道，与作为源极和漏极还原氧化石墨烯（reduced

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graphene oxide）组装构筑出可折叠的柔性晶体管，通过这些晶体管的阵列研究了有毒的二氧化氮的气体浓度，发现这种全部用类石墨烯结构构建的器件不仅构造简单、柔性可折叠，且敏感度高、可多次重复；同时，研究还发现这种器件的其他敏感性与二硫化钼的厚度密切相关，厚度越小敏感度越高。

图1-29 基于MoS2的生物传感器[159]

美国西北大学的Dattatray J. Late等人研究了不同层数MoS2对NO2、NH3和湿度的敏感特性，发现多层层MoS2的性能要优于单层和双层，结合密度泛函理论计算他们认为这是由于单层和双层的MoS2在外界偏压作用下电荷转移导致电阻下降引起的

[157]

。除了用于气体和湿度传感器，最近研究者还发现二硫化钼还具有优异的生物传

感特性[159, 160]。

1.5 本论文的选题依据和主要研究内容

2004年，K.S. Novoselov、A.K. Geim等人采用微机械剥离方法首次从石墨中剥离出单个原子层的基本层结构，即石墨烯[14]。自从石墨烯被发现以来，二维类石墨烯材料受到人们的广泛关注，多篇综述性的文章[15, 16, 22, 24, 161-163]报道了大量的类石墨烯二维结构，它们具有独特的几何结构和物理性质，二硫化钼作为类石墨烯二维结构家族的代表都被重点进行了介绍。刚发表在ACS Nano刊物上的一篇综述性论文以“Few Layer MoS2 – A Promising Layered Semiconductor”为题对类石墨烯二硫化钼进行了评述 …… 此处隐藏：1942字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……