【摘 要】
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二维锡基硫族化合物因其地球储量丰富、无毒环保、结构稳定性高和优异的光电性质等特点,使其在新型纳米电子和光电子器件领域具有广泛的应用潜力。实现其二维单晶结构与异质结的可控制备和光电性质的有效调控是其在光电器件应用的基础条件。本文以二维硫化锡(Sn S)和二硫化锡(Sn S2)材料为研究对象,通过近稳态的化学气相沉积(CVD)方法系统探索了高质量二维硫化锡、二硫化锡单晶及其异质结的可控制备,结合第一性
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二维锡基硫族化合物因其地球储量丰富、无毒环保、结构稳定性高和优异的光电性质等特点,使其在新型纳米电子和光电子器件领域具有广泛的应用潜力。实现其二维单晶结构与异质结的可控制备和光电性质的有效调控是其在光电器件应用的基础条件。本文以二维硫化锡(Sn S)和二硫化锡(Sn S2)材料为研究对象,通过近稳态的化学气相沉积(CVD)方法系统探索了高质量二维硫化锡、二硫化锡单晶及其异质结的可控制备,结合第一性原理(DFT)计算揭示了这些二维材料的生长机理,建立起二维结构与其光电性质的对应关系,并对这些材料在光电器件上的应用潜力做出了评价,所涉及的主要研究内容包括:(1)采用CVD方法制备了二维硫化锡和二硫化锡单晶,研究了这些二维材料的结构和形貌随生长条件的演化机制。基于一步CVD方法,以硫粉和硫化锡粉末作为反应前驱体制备了二维硫化锡和二硫化锡单晶,并结合结构形貌表征和理论计算研究晶体具有不同生长模式的机理。研究结果显示:通过调节硫区的温度能够实现二维硫化锡和二硫化锡单晶生长的快速切换及其结构形貌的控制;理论计算和实验表征的结果显示二维正交结构的硫化锡倾向于层状堆垛生长,而六角结构的二硫化锡倾向于螺位错生长;该工作为实现二维锡基硫族化合物单晶在光电器件上的应用奠定了基础。(2)研究了二维硫化锡/二硫化锡异质结的可控生长机理及其界面结构对其光电特性的影响。通过控制硫源和硫化锡源前驱体在CVD生长过程中的挥发浓度,能够驱动二维硫化锡/二硫化锡异质结构从垂直堆垛生长向横向平面生长转变;光谱表征和DFT计算证实了两种硫化锡/二硫化锡异质结(垂直异质结和核壳异质结)都具有II型能带特征,但核壳异质结构因受晶格应变的影响导致与垂直异质结的带阶存在0.2e V的差别。由于该异质结为II型的能带排列和具有显著的可见光响应特性,使得其在光伏和光探测器领域具有广泛的应用前景。(3)研究了一维硫化锡/二维二硫化锡混合维度异质结的可控制备及其光电探测性能。通过控制硫源的供应率,能够促进一维硫化锡纳米线的形成;并以此为模板,通过调节硫源和硫化锡源的挥发温度实现一维/二维混合维度异质结的可控制备;结构和形貌表征的结果表明该类型异质结由一维立方相的硫化锡纳米线和二维六方相的二硫化锡纳米片所构成;在此基础上,制备的异质结光电探测器表现出显著的隧穿效应,展现出极快的光响应时间和高灵敏度;该研究工作为构筑基于锡基硫族化合物异质结的高性能光电器件提供了思路和基础。
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