二维二硫化钨薄膜的形貌调控及生长机制研究

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石墨烯作为二维层状材料的代表,因为优异的热传导、高载流子迁移率等特性得到大量关注,并在电学、光学、电化学和生物医学等领域有着广泛的应用,除石墨烯以外,过渡金属硫族化合物(TMDs)作为类石墨烯材料也是研究的关注点。在此之中,二维WS2薄膜因为较低的有效电子质量,并且显示出较高的载流子迁移率或输出电流。目前深入了解WS2薄膜的生长机制并可控地制备所需形貌的WS2薄膜仍面临挑战,本文通过化学气相沉积法在不同衬底上制备出WS2薄膜,探索不同形貌的WS2薄膜的生长机制并研究了薄膜晶界。主要研究内容如下:利用化学气相沉积法(CVD),研究了表面粗糙(未抛光)的Si O2(300 nm)/Si衬底和单晶Al2O3衬底对二维WS2薄膜生长的影响。首先,我们成功的在粗糙Si O2(300 nm)/Si衬底表面制备得到大面积单层WS2薄膜,研究发现粗糙的Si O2/Si衬底对单层WS2薄膜的生长具有两个优势:首先,表面的“丘陵和山谷”结构降低了WS2薄膜的成核密度,这将为单片WS2薄膜的生长提供较大的空间。其次,“丘陵和山谷”结构使得WS2薄膜的增长率更高。此外,在单晶Al2O3衬底上,受到衬底表面原子台阶结构的影响,生长得到的WS2薄膜具有很好的方向性。利用常压化学气相沉积(APCVD)法在抛光的Si O2(300 nm)/Si衬底表面合成了二维WS2薄膜。研究发现,在同一实验条件下,可以同时得到不同形状的WS2薄膜。进一步的分析表明,不同边界自由能的竞争和局部W和S原子的配比是形成不同形状的二维WS2薄膜的根本原因:边自由能决定了每个边的生长速度,而W:S原子的比率影响了二维WS2薄膜的生长过程和最终的形貌结构。这些结果对进一步理解二维薄膜的生长机制和薄膜质量的调控具有很好的指导意义。对在CVD实验中生长得到的WS2薄膜再进行一次薄膜生长,通过观察第二次生长后薄膜的变化,发现在受控加热的条件下薄膜会加速氧化,氧化后的薄膜通过光学显微镜可以观察到晶界的存在。同时,将CVD实验中生长得到的WS2薄膜暴露在室温环境下一段时间后,发现薄膜也会发生氧化现象,并伴随着大量裂纹、形态变化。在实验中使用AFM和拉曼光谱来表征氧化前后薄膜相应参数的变化。
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