二维过渡金属二硫族化合物的应力调控

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过渡金属二硫族化合物(transition metal dichalcogenides,TMDs)是由过渡金属元素M和硫族元素X组成的化合物,用MX2表示。大部分TMDs具有类似于石墨的层状结构,单层的TMDs由一层M和两层X构成,其中M处于两层X原子中间,面内以较强的共价键相连,层间则以范德华力作用相连接。这种层状结构使得其易被剥离而获得少层或单层材料。二维TMDs因其独特的电子结构和优异性质,在电学器件、光学器件、能量存储、催化等领域的具有重要的应用前景。为了进一步促进其应用性能的优化,扩大其应用范围,我们需要对其性质进行有效调节。其中施加外加应力可以改变二维TMDs的晶格结构(即材料中原子之间的键合),实现其能带结构的调节,从而对其性质进行调控。一方面材料的晶格波矢发生变化,带隙类型变化;另一方面轨道之间重叠变化,带隙大小产生变化。因此对二维TMDs施加应力能够调控其能带结构,改变其电子跃迁过程,有助于调控其性质,扩大其应用范围。除此之外,原子级厚度的TMDs对应力十分敏感,应力调节效率高,同时其兼具高的断裂强度,这使得大范围的性质调节成为可能。目前,最广泛使用的应力调控方法是借助柔性基底形变对二维TMDs施加应力,但是这种方式具有不均匀且难以保持的问题,一旦外力撤去,基底和二维TMDs材料就恢复原状态,调控作用消失。并且该方法的一般作用对象是转移的材料,这将极大地降低应力调控的效率,不利于应力调控二维TMDs的大规模实际应用。相较于基底形变方法,图案化基底诱导产生的应力可以稳定保持,但是该方法中基底制作工艺复杂,且仍存在转移过程,产量较低。由于这些方法都难以获得兼具可控性、稳定性和可量产性的受应力二维TMDs,因此探索新的应力调控方法或者优化目前已经存在的方式,实现大范围均匀、可控应力的施加,以及应力调控二维TMDs材料的量产和稳定对其实际应用具有重要意义。基于此,我们首先在二硫化钼(MoS2)的生长过程中通过控制基底的曲率对其进行可控、均匀的应力调节。此外,我们在二硒化钼(MoSe2)的生长过程中通过给电子元素掺杂,稳定热膨胀产生的晶格拉伸作用,从而实现应力调控作用的有效维持。论文的主要内容为以下三个方面:(1)本文综述了二维TMDs材料的结构、性质、制备方法以及表征方法,对应力调控二维TMDs材料的意义和具体方法进行了简要概括,最后分析了目前这些应力调控方法中存在的问题,提出了新的调控策略。(2)本文研究了在化学气相沉积(chemical vapor deposition,CVD)法生长MoS2的过程中,通过控制基底形变引入均匀、可控的应力。由于熔融玻璃和石墨舟基底的浸润性差,因此生长过程中,平面玻璃基底熔融之后在表面张力的作用下形变为球形基底。一方面玻璃熔融过程质量损失几乎不计,因此可以通过控制玻璃的质量来控制熔融后球的直径,实现球形基底曲率直径的控制,另一方面MoS2的光谱数据显示带隙与基底球径有着一一对应的关系,因此可以通过控制曲率实现对MoS2的带隙的准确调控。我们相信这种均匀、可控的应力调控为其大规模量产奠定了基础。(3)本文研究了在CVD法生长MoSe2的过程中,利用给电子元素掺杂,有效维持MoSe2受热产生的均匀晶格形变。我们利用电负性比Mo小且价电子比Mo多的给电子元素对MoSe2进行掺杂。其中给电子作用将增加MoSe2的电子密度和原子间斥力作用,使体系达到新的静电平衡状态,从而有效地稳定MoSe2的晶格形变,实现其光学带隙调节的有效维持。我们认为应力可以通过这种策略稳定保存下来,具有持久的稳定性,对二维TMDs应力调控的实际应用具有重要意义。
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