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二维过渡金属硫族化合物MoS_2和WSe_2的光电特性研究

司珂瑜  
【摘要】:以石墨烯(graphene)和二维层状硫族化合物(transitional metal dichalcogenides,TMDs)为代表的二维层状纳米材料已经在光电子器件、半导体光电化学和太赫兹(terahertz,THz)光电子学等领域表现出了优良的性能和广阔的应用前景。作为两种典型的TMDs类材料,MoS_2和WSe_2凭借其可调控的带隙和在可见光至红外波段的光谱响应以及超快瞬态THz电导率,在光电子器件、光电化学(photoelectrochemistry,PEC)和THz光谱学等方面具有潜在的应用价值。本论文围绕MoS_2和WSe_2两种TMDs及MoS_2/WSe_2异质结的制备和光电化学响应性能,以及WSe_2材料的THz发射特性,主要从以下四个方面开展了研究:(1)利用液相剥离(liquid phase exfoliation,LPE)法和真空抽滤转移法,我们制备了二维MoS_2薄膜光电极。在课题组前期对MoS_2的PEC光电响应特性研究的基础上,我们利用退火煅烧的手段对MoS_2的光电响应特性作出调控。通过PEC测试手段,我们对经退火处理和未退火处理的样品PEC光电响应的差异进行了观察比较。然后,我们通过X射线衍射光谱(X-ray diffraction,XRD)、拉曼(Raman)光谱、可见-近红外吸收光谱和电化学阻抗谱(electrochemical impedance spectroscopy,EIS)等表征测试手段对光电响应增强的内在机理作出了合理的解释。我们的工作为提高太阳能电池、光催化和光敏器件等PEC应用中MoS_2及其它TMDs光电极的性能提供了一条简单而廉价的途径。相关的工作发表在Ceramics International期刊上。(2)我们基于LPE法和真空抽滤转移法制备了二维层状WSe_2光电阳极。在课题组前期对其它TMDs材料PEC光电响应性能调控方法研究的基础上,通过控制抽滤过程中WSe_2分散液的体积来控制薄膜光电极的厚度,从而有效地调控样品的光电响应性能。XRD、Raman光谱和吸收光谱证明了厚度与抽滤体积的依赖关系,而PEC测试表征(J-V和J-t曲线)证明了光电响应与样品厚度的依赖关系。通过EIS和莫特-肖特基(Mott-Schottky,M-S)测试,我们对光电响应提升的内在机理有了合理的解释。本工作为如何提高WSe_2以及其它二维材料光电极的光电响应特性提供了一条切实可行的思路。(3)由于已有的增强PEC光电响应的手段具有局限性,故我们结合LPE法和真空抽滤转移法制备了MoS_2/WSe_2异质结光电阳极,并希望通过构建异质结构的手段来提高单一材料光电极的光电响应性能。我们通过透射电子显微镜(transmission electron microscope,TEM)图像、XRD和Raman光谱观察到异质结构的形成。然后,我们通过X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS)研究了异质结材料的化学成分,并证明了异质结的形成。根据PEC测试,我们可以观察MoS_2/WSe_2异质结具有增强的光电响应性能。此外,EIS和Mott-Schottky测试有力地证明了异质结形成之后载流子的复合被抑制,电极/电解液界面处的低阻抗以及较高的载流子输运性能是光电阳极PEC光电响应性能提升的原因。再者,能带排列结构和载流子转移模型的建立能够帮助解释光生载流子行为,并为PEC光电性能增强的机制提供了理论依据。我们的研究结果为MoS_2/WSe_2异质结光电阳极及基于其它TMDs材料的异质结的制备奠定了基础,为提高PEC应用中电极的光电性能提供参考。(4)THz产生光谱不仅可以帮助我们理解超快激光与WSe_2的相互作用,还可以帮助我们找到一种基于TMDs的新型THz辐射源。因此,基于课题组前期对其它TMDs材料的THz发射特性的研究,我们利用THz发射光谱对单层和块体WSe_2的THz发射进行了研究。由于波长为800 nm的飞秒激光的单光子能量不足以将带隙较宽的单层WSe_2激发出THz辐射,故我们的工作重心转移到块体WSe_2的THz辐射产生上。通过多种变量依赖的THz产生实验和理论分析,我们得出WSe_2中THz辐射产生的主要机理是基于表面耗尽场对光生载流子加速而产生瞬态光电流的表面场效应。其中,由于光生载流子在样品表面的累积而导致的屏蔽作用,THz辐射信号随泵浦能量密度的增加呈现出饱和效应。另外,通过分析THz产生光谱和Raman光谱,我们确定了块体WSe_2晶体的激光损伤阈值约为3.11 mJ/cm~2。最后,我们分析了表面耗尽场的形成过程,并且我们计算出它的场强约为5.256×10~6 V?m~(-1),且其宽度约为115 nm。我们的结果为研究超快激光与层状WSe_2的相互作用提供了依据,为研制基于TMDs材料表面场效应的新型THz辐射源奠定了基础。相关的工作发表在Applied Surface Science杂志上。


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