摘 要

二维纳米材料因其优异的光学、电学、电化学特性，近些年来深受科研人员的青睐，在太阳能电池、锂电池、电极、传感器等方面取得了突破性进展。本文首先综述了二维纳米材料的一些制备方法，包括机械剥离法、锂离子插层法、液相剥离法、化学气相沉积法和水热法等，并简要分析了它们的优点和局限性；阐述了二维纳米材料常用的表征方法，包括光学显微镜、拉曼光谱仪、原子力显微镜(AFM)、透射电子显微镜（TEM）等；介绍了多型二硫化钼（MoS₂）的定义。

准确测量二维纳米材料的厚度是研究其各方面性质的前提，本文介绍了一种简单、快速和准确的方法用来表征MoS₂纳米薄片中的多型现象。通过机械剥离法制备样品，利用光学显微镜和图像分析软件（Image J）即可对样品层厚进行快速准确的鉴定。由于堆叠顺序对层状材料的各种物理性质影响较大，因此对堆叠顺序的准确测定对于研究这些材料的基本性质以及器件的应用具有重要意义。随后，我们对1-9L MoS₂进行拉曼光谱和光学显微镜表征，并对比了标准MoS₂与多型MoS₂之间的区别。

关键词：二维纳米材料 二硫化钼 机械剥离法 光学衬度差 超低波拉曼光谱 多型性

Characterization of Polytypism Phenomena in Few-Layer Molybdenum Disulfide Nanosheets

Abstract

Because of their excellent optical, electrical and electrochemical properties, two-dimensional (2D) nanomaterials have been deeply investigated by researchers in recent years. Breakthroughs have been made in solar cells, lithium batteries, electrodes and sensors. In the first part of this paper, some preparation methods of 2D nanomaterials are reviewed, including mechanical exfoliation, lithium ion intercalation, liquid phase exfoliation, chemical vapor deposition, hydrothermal method, etc. Meanwhile, their advantages and limitations are briefly introduced. In addition, the characterization methods commonly used for 2D nanomaterials are described, including optical microscope, Raman spectrometer, AFM, TEM, etc. The definition of polymorphic MoS₂ was also discussed.

Accurate measurement of the thickness of 2D nanomaterials is a prerequisite for studying their properties. This work introduced a simple, fast and accurate method to distinguish and characterize the polytypism in MoS₂ nanosheets. After the samples were prepared by mechanical exfoliation, their thickness can be accurately identified by using optical microscope and image analysis software (Image J). Subsequently, the ultralow frequency Raman spectra of 1-9L MoS₂ were characterized, and the differences between normal MoS₂ and polymorphic MoS₂ were compared.

Key words: 2D nanomaterials; Molybdenum disulfide; Mechanical exfoliation; Optical contrast; Ultralow frequency Raman spectroscopy; Polytypism.

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 文献综述 1

1.1 二维纳米材料简介 1

1.2 二维纳米材料的制备 2

1.2.1 机械剥离法 2

1.2.2 锂离子插层法 3

1.2.3 化学气相沉积法（CVD） 3

1.2.4 其他方法 4

1.3 表征二维纳米材料的方法 4

1.3.1 光学显微镜 5

1.3.2 拉曼光谱仪（Raman spectra） 5

1.3.3 原子力显微镜（AFM） 6

1.3.4 透射电子显微镜（TEM） 7

1.4 二维纳米材料的多型性简介 7

1.4.1 多型性MoS₂ 7

1.4.2 多型MoS₂的获得方法 9

1.5 本论文研究内容及目的 9

1.5.1 研究内容 9

1.5.2 创新点 9

1.6 本章总结 10

第二章 多型性MoS₂纳米薄片的制备和表征 11

2.1 实验试剂、仪器、及表征设备 11

2.1.1 实验试剂 11

2.1.2 实验仪器 11

2.1.3 表征仪器 11

2.2 多型性MoS₂纳米薄片的制备 12

2.2.1 切割衬底 12

2.2.2 清洗衬底 12

2.2.3 机械剥离法制备MoS₂样品 13

2.3 多型性MoS₂纳米薄片的表征 13

2.3.1 光学显微镜表征 13

2.3.2 超低波拉曼光谱仪表征 14

第三章 分析与讨论 16

3.1 光学图像分析 16

3.2 超低波拉曼光谱分析 19

第四章 结论与展望 24

4.1 结论 24

4.2 展望 24

参考文献 25

致 谢 27

第一章 文献综述

1.1 二维纳米材料简介

早在2004年的时候，英国曼切斯特大学的两位科学家（Geim和Novoselov）就成功剥离出二维的石墨烯，从此科研人员掀起了石墨烯等二维纳米材料的研究热潮。石墨烯具有独特的光学、电化学、电学、力学和热学等特性，因此深受科研人员的青睐。近几年以来在晶体管^[1]、显示器、太阳能电池^[2]、电极^[3,4]、生物医药材料^[5]、传感器^[6,7]和超级电容器^[8]等方面取得突破性研究，并且表现出极好的性能。

本征石墨烯没有能隙的缺点，促使科研人员去寻求研究新的二维纳米材料。近几年来，以二硫化钼为代表的，具有1-2 eV能带的层状过渡金属硫族化合物 (TMDs)^[9-11]引起了科研人员的研究兴趣，已成为许多领域的热门话题，例如物理、化学、材料和电子。单层的2D TMDs——其广义公式为MX₂，其中M为4-10族的过渡金属，X为硫族元素（S、Se、Te）。类似于石墨烯，TMDs层状材料的层与层之间也是依靠微弱的范德华力结合，所以也可以用制备石墨烯的方法来获得单层或少层 TMDs 纳米薄片。单层的 TMDs 纳米薄片是三层原子组成的类“三明治夹心”结构，这一点与石墨烯的单原子层结构有较大差别。单层MoS₂由夹在两个硫层之间的Mo原子单层分子组成，形成一个“三层”(TL)。每一个TL通过弱范德华力相互作用连接，钼原子与硫原子以较强的共价键结合，层间距约为0. 65 nm。

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