二维二硫化钼纳米薄膜材料的研究进展
李瑞东1，2，张 浩1，潘志伟1，白志英1，孙俊杰1，邓金祥1，王建鹏3 【摘 要】作为过渡金属硫族化合物，二硫化钼具有可调带隙的二维层状材料，其特有的性质引起科研工作者的广泛关注，在光电子领域有着广阔的应用前景。文章介绍了二硫化钼的结构及其性质，以及常见的制备二硫化钼纳米薄膜的方法。给出了表征二硫化钼纳米薄膜的常见手段。 【期刊名称】中国钼业 【年(卷),期】2018(042)003 【总页数】5
【关键词】二硫化钼；结构和性质；材料制备；薄膜表征
0 引 言
二维材料是指由单原子层或少数原子层构成的晶体材料，其概念可以追溯到十九世纪初期。二维材料的稳定性问题一直困扰着研究者们。直到2004年， Novoselov和Geim[1]首次制备出了稳定存在的二维石墨烯，证明了二维材料可以单独存在。石墨烯的发现，在固态电子学中诞生了一种原子级薄材料的新兴研究领域。但由于石墨烯几乎没有带隙，极大地限制了其在光电子学中的应用[2-3]。为此，广大科研工作者们努力寻找其他可以替代石墨烯的材料。近年来，具有二维层状晶体结构的无机化合物的研究不断取得新进展，大大激发了研究者们的研究热情。截止目前，人们发现了几十种性质截然不同的二维材料，涵盖了绝缘体、半导体、金属等不同的属性(图1)[4]。列举了一些典型的二维材料的晶体结构和性质。按照电学性质将二维材料分为导体、半导体和绝缘体。相应材料的超导临界温度和带隙的范围也在图中标出。图1所列的仅仅是二维
材料家族中的冰山一角[4]。
作为一种半导体，二维材料由于其超薄的特性及良好的电学性质而在纳米电子学器件领域中得以广泛应用[5-7]。在二维材料中，石墨烯由于具有高迁移率等优良的物理性质而吸引了广大研究者的研究，但是由于其零带隙的特点而使其应用受到限制[8-10]。过渡金属硫族化合物具有独特的夹带结构，随着层数的减少，带隙能量越来越大，其中，以二维层状二硫化钼(MoS2)为代表的二维过渡金属硫化物由于具有天然的可调带隙而引起广大研究者的广泛关注。目前，过渡金属硫族化合物在横向和纵向异质结方面显示出新奇的物理现象[11-13]，二硫化钼已经在场效应晶体管、存储器、发射器等方面广泛研究。二硫化钼是一种带隙能量在1.2～1.8 eV的层状半导体材料，它的物理性质严重依赖于厚度[14-15]。比如，随着二硫化钼厚度的下降，已经观察到它的光致发光现象显著增强[15]。然而，大范围合成高质量原子层二硫化钼仍然具有一定的困难，有待进一步研究。
1 二硫化钼结构和性质
1.1 二硫化钼结构
二硫化钼由1个钼原子和2个硫原子组成。其中，钼原子和硫原子以共价键的形式结合起来构成如图2[16]所示的S-Mo-S结构。Mo原子有最近邻的6个S原子，S原子有3个最近邻的Mo原子。两者形成三棱柱状配位结构，层与层之间存在微弱的范德华力作用，每层之间的距离大约0.65 nm。Mo原子与S原子间的相对位置差异形成图2(b)所示的3种晶体结构。 1.2 二硫化钼的光学性质
二硫化钼薄膜拥有特殊的层状结构和能带结构，这就使得其具有独特的光学性
质，如荧光吸收和发射等。这些性质将使二硫化钼薄膜在光电器件方面具有广泛的应用前景。
当二硫化钼为体材料时，它是间接带隙半导体，不会发生光吸收的特性。随着二硫化钼薄膜越来越薄，它的带隙也将发生变化。当二硫化钼薄膜为单原子层时，其带隙结构将从间接带隙变为直接带隙，它将变成导体。当二硫化钼薄膜为几层时，将表现出独特的光学性质，其特有的发光峰在625～670 nm处[见图3(a)][17]。Ghatak等[18]采用机械剥离的方法制备了二硫化钼纳米薄膜，在532 nm波长的激光激发下，成功采集到了二硫化钼薄膜特有的光发射图谱，在625～670 nm处出现了二硫化钼薄膜的特征峰见图3(b)。 1.3 二硫化钼的电学性质
图4(a)为二硫化钼的简化能带图[19]。体材料的二硫化钼属于间接带隙半导体，电子跃迁方式为非垂直跃迁，如图4(a)中的③所示，随着层数的减少，带隙宽度变宽，当为单层时，材料间接跃迁带隙宽度大于直接带隙宽度，电子跃迁方式存在①、②两种垂直跃迁，带隙宽度为Eg=1.92 eV[20]，表现出直接带隙半导体的特性。
层状二硫化钼的散射机制主要有3种[21]：(1)声学和光学声子散射；(2)库伦散射；(3)层间声子散射。散射机制对材料载流子迁移率的影响通常也会受到温度、能带结构和材料厚度等的影响。对于二硫化钼，温度对载流子迁移率的影响可视为声子对电子产生的散射作用，如图4(b)。由材料表面或层间存在的电离杂质引起的散射称为库伦散射，它是低温下的主要散射机制。
2 二硫化钼的制备方法
2.1 机械剥离法
二维二硫化钼纳米薄膜材料的研究进展
