表面电荷转移掺杂二维过渡金属硫族化合物及其光电性质的研究

来源 :齐鲁工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:hanjiezm
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过渡金属硫族化合物(TMDCs)作为一种极具发展潜力的化合物在近年来引起了广泛关注,当从三维(3D)体相材料转变为二维(2D)平面材料时,其能带结构也随之发生改变,使其拥有了出色的光电特性。以Mo S2、WS2等为代表的2D-TMDCs构筑的场效应器件具有高载流子迁移率、大开关比以及强自旋轨道耦合效应等物理特性,在逻辑电路、光电探测器、发光二极管和其他光电器件上有巨大的潜在应用价值。进一步调控这一类材料的能带结构极有可能实现构筑多种同质或异质结性复杂逻辑器件,在调控半导体材料带隙的研究范畴中,掺杂作为一种有效手段被广泛用于调控其器件的电学性质。由于常规掺杂手段面临工艺复杂、材料本征性质损失和掺杂不稳定等难题,近年来,表面电荷转移掺杂(SCTD)作为一种新型掺杂手段被引入到2D-TMDCs的掺杂工作中,其具备的快捷、可逆和无损等优势得到了研究者的青睐。虽然SCTD具备大量优势,但如何找到高效可控的掺杂剂仍是这一研究领域的关键科学问题。针对这一问题,我们设计了具备聚集诱导荧光增强效应(AIE)的分子作为掺杂剂,这类有机掺杂剂能够提供丰富的分子骨架并可搭载多种官能团,实现对电荷转移的可控。本论文首先利用化学气相沉积法(CVD)制备了高质量单层Mo S2,然后合成了具有AIE效应的四苯乙烯(TPE)衍生物分子,基于SCTD的手段对单层Mo S2实现了可控掺杂,表征了掺杂前后的形貌、结构及光学性能,最后通过密度泛函理论等理论计算手段对掺杂机理进行了验证分析。利用相同的手段实现了单层Mo Se2和WS2的掺杂。具体内容如下:(1)通过设计合成了具有AIE效应的TPE衍生物分子,分别为带有强吸电子基团-NO2的TPE-4NO2分子和带有强推电子基团-OCH3的TPE-4OCH3分子,通过溶液法浸泡CVD制备的单层Mo S2实现SCTD,TPE-4NO2作为掺杂剂可以导致单层Mo S2的荧光光谱峰强得到极大增强,峰位同时发生蓝移,X射线光电子能谱(XPS)峰位向结合能减小的方向移动;TPE-4OCH3掺杂后的单层Mo S2的荧光光谱峰强猝灭,峰位发生红移,XPS峰位向结合能增大的方向移动。进一步利用归一化PL光谱,能带结构平面图,DOS和差分电荷密度图表征分析掺杂机理,由于-NO2的强吸电子效应,掺杂后电荷从Mo S2向TPE-4NO2分子转移,使Mo S2表面空穴密度增加,带隙变宽,实现p型掺杂;TPE-4OCH3分子掺杂Mo S2后,得益于-OCH3的强推电子效应,电荷从TPE-4OCH3分子注入至Mo S2,使Mo S2表面电荷密度增加,带隙变窄,实现n型掺杂。(2)通过CVD法制备了高质量单层Mo Se2和单层WS2,同样利用TPE-4NO2和TPE-4OCH3实现SCTD。对单层Mo Se2进行的掺杂趋势与Mo S2相似,这是由于单层Mo Se2与单层Mo S2能带结构相近,使得电荷转移趋势相似。而对单层WS2掺杂后,单层WS2的荧光光谱均有不同程度的猝灭,XPS峰位也均向低结合能方向移动,这一结果表明单层WS2本身的能带结构使得电荷只能从AIE分子向其转移,造成单层WS2表面电荷聚集,呈现n型掺杂特征。
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