硫酸钠辅助的固态硫源制备单层VIB族金属硫化物

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二维过渡金属硫化物(TMD)是一类涵盖超导体、金属、半导体和绝缘体的二维材料,其优异的光电子学和机械等物理性能,在基础物理研究(如电荷密度波)及晶体管器件、柔性电子学、光伏器件、传感器、发光二极管、新能源催化等诸多方面具有广泛应用。目前,已经制备得到迁移率可以与传统体相硅基材料可比的TMD场效应晶体管(FET)器件及集成电路。因此,TMD的制备近年来得到了广泛关注。目前其面临的主要问题包括:(1)生长TMD的前驱体熔点高,化学活性较低,难以在较低温下完成生长;(2)硫粉与金属前驱体熔沸点存在巨大差异,导致硫蒸气遇到冷凝区冷凝,造成硫源浪费,且硫粉挥发时间及供应量难以控制;(3)硫粉为易燃物,为危险品;(4)生长的重复性差,每一片基底上材料覆盖率低等。基于此,我们的工作致力于寻找一种简便、安全、经济的方法制备高质量的TMD以满足上述要求。Na2SO4是一种熔点高达884?C的无机盐,具有化学稳定性。本文通过使用高熔点,安全经济的无机硫酸钠(Na2SO4)作为固体硫源,开发了一种安全无毒、经济环保,普适性的方法在较低温度下制备单层WS2,MoS2。通过原子力显微图(AFM)、拉曼(Raman)、光致发光(PL)表征了样品的光学性质及单层结构。透射电子显微图(TEM)、电子衍射(SAED)等证明样品良好的结晶性及所测区域的单晶结构。之后将材料应用于场效应晶体管,材料表现出较高迁移率的传输性质,进一步证明材料结晶性好。之后的MoS2的成功制备证明了该方法可应用于生长其他二维TMD材料。为正确理解此方法中材料的生长过程,本文以WS2为主体,分别从两个方面详细探讨了WS2和MoS2的生长机制:温度和前驱体摩尔比对材料尺寸、形貌及厚度均匀性有较大影响,材料尺寸随着温度的增加而增加,枝晶也随着温度的增加而增多,前驱体摩尔比主要影响材料的尺寸和厚度均匀性,二者都随着摩尔比增加而增加;以X射线衍射(XRD)、Raman为主要表征手段,推理化学反应过程。反应过程为:Na2SO4高温还原过程,这个过程生成中间体Na2S;金属氧化物与中间体(Na2S)发生氧化还原过程,因而得到低熔点金属源(Na2WO4或Na2MoO4)与H2S;低熔点金属源与过程2产生的H2S的硫化过程经过对反应过程的理解和文献阅读,推测Na2SO4在WS2和MoS2实验体系中的作用一致,作用机制为:(1)降低生长温度。其与金属氧化物反应得到挥发性低熔点钠盐,降低金属源迁移势垒;(2)金属源与硫源同步释放,保证金属完全硫化;(3)钠离子促进单层MX2(M=W、Mo)生长。该方法安全经济,可防止反应后期硫源不足,减少硫损失,低温生长使之应用于工业化能减少能耗。为其它二维TMD的制备提供了新的思路。
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