液态金、载流气体作用下二维WS2薄膜的生长机理及其蒸发模式的差异

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近年来,二维层状材料由于其独特的性能受到全世界的广泛关注。二维过渡金属硫族化合物(TMDs)和零带隙的石墨烯不同,绝大部分TMDs厚度减为一层时属于直接带隙半导体材料,其中WS2更是由于其高电导率、高载流子迁移率等优势在光电子器件领域有较大的应用前景。制备方法影响着薄膜形貌、性质等参数,因此选用合适的制备方法就显得尤为重要。作为CVD法的一种扩充方法,液态金属调控法生长出的薄膜有着非常新颖的现象,但是使用该方法可控地生长薄膜仍然存在非常多的挑战。本文在液态金、载流气体的作用下生长二维WS2材料,分析了各生长参数对于二维结构生长、结构形貌的影响,研究了两种不同形貌二维WS2材料在不同退火参数下的蒸发模式差异。主要研究内容包括:首先,在液态Au的作用下成功在SiO2(300 nm)/Si衬底表面制备得到WS2薄膜,分析了四个生长参数(Au箔状态,Au箔融化时间,生长温度,W源选择)如何影响薄膜的生长。结果表明,液态Au对W有着很强的吸附作用,因此在制备吸附W的基片阶段,液态Au会吸附、溶解大量的W原子,这些原子在生长阶段又会被蒸发出来,作为W原料以供WS2生长。Au箔融化时间越长,即吸附W的时间越长,W前驱体的熔点越低,液态Au吸附、溶解的W越多,基片表面生长得到的WS2薄膜的密度越大。此外,我们还发现生长温度对W原子的吸附、溶解及薄膜的生长影响不大。其次,在液态Au和载流气体共同作用下成功在SiO2(300 nm)/Si基片表面生长WS2薄膜并实现了薄膜尺寸在数量级上的突破,分析了基片表面不同位置和生长温度对薄膜形貌的影响,最后着重研究了基片表面各区域薄膜层数、面积的变化规律。我们发现液态Au和载流气体共同作用下主要是通过改变各区域的“局部W原子浓度”来影响薄膜的生长,在以液态Au为中心向外的方向上薄膜面积先增大后减小,液态Au作用区域的薄膜层数明显大于未受液态Au作用区域薄膜的层数。当生长温度逐渐升高时,WS2薄膜的尺寸先增大后减小。最后,我们研究了两种不同形貌的二维WS2薄膜(均匀厚度薄膜和有中心叠层的薄膜)在退火时蒸发模式的差异。通过四个退火参数(退火温度、载流气体大小、样品在衬底上的位置以及退火时间)对薄膜形貌影响的研究,我们发现这几个参数主要影响基片表面“局部S-W浓度”和S、W原子的自由能,进而影响薄膜的蒸发速率:蒸发速率和S、W原子自由能成正比,和“局部S-W浓度”成反比。此外,这两种薄膜的蒸发模式有着显著的差异:有中心叠层的薄膜仅从边界和缺陷处剥离,而均匀厚度薄膜不仅从边界和缺陷处开始剥离,也会从表面逐层剥离。这说明有中心叠层的薄膜中央位置可能存在一种“钉扎效应”,导致其层间作用力比均匀厚度薄膜的要大,暗示着这两种薄膜的生长模式可能完全不同。
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