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二维过渡金属硫族化合物由于具有高稳定性、原子层厚度、较强的光-物质相互作用以及可调谐的光电特性成为发展纳米电子和光电子器件的重要候选材料之一。实现二维过渡金属硫族化合物材料大面积、高质量的制备是改善其光电性质和器件性能的关键问题。化学气相沉积(CVD)被认为是最有潜力达到这一目标的方法。但受制于成核密度和生长源浓度的不可控,常规CVD方法制备的二维过渡金属硫族化合物仍存在晶粒尺寸小、缺陷密度较高和生长速率慢的现象,这也成为制约其在光电器件应用的主要问题之一。为此,本文以二硫化钼与二硒化钼为主要研究对象,以实现其快速、高质量的制备为目标,通过改进化学气相沉积生长工艺,系统研究这些二维过渡金属硫族化合物的生长机理与光电性质,探索改善其晶体质量和光电性能的可行性方案,主要的研究内容包括:
1.采用熔盐辅助CVD方法制备了单层二硒化钼,并结合光谱分析和理论计算对比研究了气-液-固生长和气-固生长机制对单层二硒化钼晶体生长速率、结构形貌以及光致发光(PL)性质的影响。研究结果表明:钠盐的加入使得二硒化钼的生长速率要比常规CVD方法快40倍;单层二硒化钼晶体的快速生长被发现是一维的气-液-固(VLS)生长和二维的气-固(VS)生长协同作用的结果;通过调节VLS生长和VS的生长速率,可以实现二硒化钼的形貌从规则的三角形向分型的雪花状形貌转变;同时,钠盐的使用能够极大地改善二硒化钼的晶体质量和激子发光性能,这源于生长过程中钠盐中的溴元素能够钝化二硒化钼的本征缺陷。该研究工作为二维过渡金属硫族化合物的高质量制备及其光电性能的优化提供了重要的基础。
2.通过结合实验光谱表征和第一性原理(DFT)计算系统研究了卤化钠对二硫化钼CVD生长、结构形貌和光学性质的影响。研究结果显示:卤化钠(NaX,X=Cl,Br,I)的使用可以极大提升二硫化钼的CVD生长速率,并且合成的单层二硫化钼具有更大的晶粒尺寸和更高的晶体质量;PL结果表明卤化钠的使用能够1~2个数量级地提高二硫化钼的激子发光强度;X射线光电子能谱分析(XPS)和DFT计算结果显示钠盐中的卤素元素能够有效钝化二硫化钼中硫空位,避免了缺陷导致的非辐射性复合,从而使得其晶体质量和激子发光性能得到改善。该研究为调控二维过渡金属硫族化合物的光电性质提供了新的思路。
1.采用熔盐辅助CVD方法制备了单层二硒化钼,并结合光谱分析和理论计算对比研究了气-液-固生长和气-固生长机制对单层二硒化钼晶体生长速率、结构形貌以及光致发光(PL)性质的影响。研究结果表明:钠盐的加入使得二硒化钼的生长速率要比常规CVD方法快40倍;单层二硒化钼晶体的快速生长被发现是一维的气-液-固(VLS)生长和二维的气-固(VS)生长协同作用的结果;通过调节VLS生长和VS的生长速率,可以实现二硒化钼的形貌从规则的三角形向分型的雪花状形貌转变;同时,钠盐的使用能够极大地改善二硒化钼的晶体质量和激子发光性能,这源于生长过程中钠盐中的溴元素能够钝化二硒化钼的本征缺陷。该研究工作为二维过渡金属硫族化合物的高质量制备及其光电性能的优化提供了重要的基础。
2.通过结合实验光谱表征和第一性原理(DFT)计算系统研究了卤化钠对二硫化钼CVD生长、结构形貌和光学性质的影响。研究结果显示:卤化钠(NaX,X=Cl,Br,I)的使用可以极大提升二硫化钼的CVD生长速率,并且合成的单层二硫化钼具有更大的晶粒尺寸和更高的晶体质量;PL结果表明卤化钠的使用能够1~2个数量级地提高二硫化钼的激子发光强度;X射线光电子能谱分析(XPS)和DFT计算结果显示钠盐中的卤素元素能够有效钝化二硫化钼中硫空位,避免了缺陷导致的非辐射性复合,从而使得其晶体质量和激子发光性能得到改善。该研究为调控二维过渡金属硫族化合物的光电性质提供了新的思路。