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二硫化钼—石墨烯异质结的制备与研究

刘丹妮  
【摘要】:石墨烯是单层六角元胞碳原子组成的蜂窝状二维晶体材料。石墨烯作为后硅时代的一种神奇材料,具有非凡的光学、热学、机械力学等特性,尤其是在室温下电子迁移率高,导电性能优异,使它成为可以应用在电子、传感器、催化、能源储存等方面的未来有潜力的新一代材料。过渡族金属硫化物中的二硫化钼(MoS2)具有类石墨烯结构,它不但具有良好的电子、光学、催化特性,单层的MoS2是薄而透明的。MoS2从块状到纳米层状,它从间接带隙转变到直接带隙,能辅助石墨烯在半导体电子领域得到更广泛的应用。 目前纳米器件的研究是热点,石墨烯和MoS2形成的异质结是一种新型二维层状结构的异质结,这种器件具有质量轻、功耗低、柔性等特点,现在存在的主要问题是保证二维石墨烯和层状MoS2的晶体结构,可控制备石墨烯和层状MoS2,完善异质结器件的工艺和结构设计,提高其电学性能,对其在实际中的应用至关重要。针对以上问题,本文的主要研究内容及结果如下: (1)可控制备高质量石墨烯二维晶体的探索。借助X射线衍射仪、扫描电镜、紫外光谱、红外光谱、拉曼光谱等对石墨烯性质进行表征分析,比较各种制备方法的优缺点,得到其制备的最佳工艺参数和制备方法。采用改进的Hummers方法制备氧化石墨烯,利用化学试剂HI酸和维生素C还原氧化石墨烯(GO),此方法过程复杂,时间较长,制备的石墨烯中引入了杂质原子,会破坏石墨烯原有二维结构,影响其性能;采用液相溶液剥离法,以石墨粉末为原料,在有机溶剂DMF中直接超声剥离,通过高速离心后得到质量较高的石墨烯分散液,制备石墨烯的最佳条件为石墨烯/DMF的浓度为0.14mg/ml,超声时间为9h,超声功率为350W,此方法能大批量生产石墨烯,适用于石墨烯透明导电薄膜的应用;采用化学气相沉积法(CVD)制备石墨烯,甲烷作为碳源,气体流量为10sccm,H2作为保护气体,气体流量为40sccm,生长温度为1000℃,生长时间为1-2min,在铜箔上生长了少数层的石墨烯,并采用湿法转移,将石墨烯薄膜转移到载玻片衬底上。 (2)磁控溅射制备层状MoS2薄膜,对其溅射条件进行优化。借助X射线衍射仪、拉曼光谱等对其性质进行表征分析,得到层状MoS2薄膜的最佳制备工艺参数为:溅射功率为30W,Ar气流量为15sccm,溅射时间为3min。 (3)MoS2-石墨烯异质结的制备。采用磁控溅射法在玻璃衬底上制备MoS2薄膜,选取CVD法在MoS2薄膜上制备石墨烯,再利用磁控溅射法沉积金属铜接触电极,形成MoS2-石墨烯异质结。借助拉曼光谱分析MoS2和石墨烯的结构,并从理论上分析MoS2与金属接触的能带结构,从实验测试分析石墨烯与金属接触的I-V性能,并最终测试MoS2-石墨烯异质结的I-V特性。实验结果表明:随着异质结正向电压的增大,异质结电流I增大,当正向电压增大到一定值以后,电流增值幅度降低,基本趋于平缓;异质结加反向电压时具有反向电流,随着反向电压的增大,反向电流也随之增大。随着MoS2溅射时间的增大,异质结的电流会减小。 本文提出的这种创新型异质结器件,为其应用到传感器、光电检测等领域打下基础,未来通过进一步改进器件的结构和性能,将有望应用到电子领域中。


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