二维MoS2薄膜光电性能研究

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二维Mo S2薄膜是一种具有优异光电性能的半导体材料,在光电探测、光电转换以及光电传感等领域有着巨大的应用前景。目前Mo S2薄膜的光电应用主要受限于两点,一是难以实现Mo S2薄膜大规模、层数可控的制备,二是对不同层数Mo S2薄膜的光电性能还缺乏系统探究。本文利用化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition,CVD)工艺在蓝宝石上基底上探究二维Mo S2薄膜的生长机理和层数控制途径,实现了二维Mo S2薄膜的层数可控生长;通过磁控溅射法在Mo S2薄膜表面制备金属电极制成了简单的光电器件,对不同层数Mo S2薄膜的光电性能进行了检测,并通过退火以及H2O2化学活化处理的方式对其光电性能进行了优化。实验发现,与常压CVD法相比,在低压CVD的条件下更容易获得Mo S2薄膜,在反应气压和升温曲线一定的情况下,衬底与Mo源距离(源基距)的减小会增大气相中Mo S2的分压PMo S2,Mo源用量的减少会减小PMo S2,通过综合调控源基距和Mo源用量,可以对PMo S2进行精确调控,实现不同层数Mo S2薄膜的生长;成功制备了高质量单层Mo S2薄膜,其Raman特征峰位差为19.76 cm-1,PL光谱特征峰强度较高,体现出明显的单层Mo S2特征;同时,掌握了双层、三层、四层及以上Mo S2薄膜制备工艺和内在机理。对Mo S2薄膜进行了光电性能检测,实验结果表明:(1)对于相同厚度的Mo S2薄膜,其对于紫外光的光电响应性最佳,而对于相同的光源,厚度越小的Mo S2薄膜光电性能越好,其中单层Mo S2薄膜对于紫外光具有最佳的光电特性,其灵敏度为34.68,但响应时间达到最长的46.0 s;(2)对于单层与双层Mo S2薄膜,在硫氛围下800℃退火一小时可提高Mo S2薄膜的饱和光电流,单层Mo S2薄膜经过退火后,其紫外光灵敏度达到27.74,同时响应时间缩短到5.0 s;(3)对于偏压和光功率,Mo S2薄膜的饱和光电流会随着偏压的增加而增强,但随着光生载流子数量达到饱和,其增长的幅度越来越小。对于光功率密度的增加,在2-10 m W范围内Mo S2的饱和光电流基本随着光功率密度呈现线性变化。(4)利用H2O2对Mo S2进行处理,随着H2O2对Mo S2薄膜处理时间的增加,Mo S2薄膜的饱和光电流增加明显,响应时间也显著减小,处理40 s的Mo S2薄膜具有最佳的光电性能,响应度达到了0.0357 m A/W,响应时间仅需要4.5 s,而处理60 s的薄膜具有最佳的灵敏度313.06。本文掌握了CVD法制备Mo S2薄膜的内在机理和影响规律,实现了Mo S2薄膜生长的层数控制,对不同层数Mo S2薄膜的光电性能进行了检测,并探索了硫氛围退火以及H2O2化学活化处理对Mo S2薄膜光电性能的影响规律,研究结果能为大面积Mo S2薄膜的大批量制备提供实验指导,对于Mo S2薄膜在光电领域的应用具有一定的参考价值。
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