摘 要

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1二维层状过渡金属硫化物(TMDs）综述 1

1.1.1层状TMDs的组成和结构 2

1.1.2层状TMDs能量存储装置 3

1.1.3层状TMDs高性能电子元件 4

1.2 MoS₂概述 4

1.2.1 MoS₂的晶体结构 4

1.2.2 MoS₂的能带结构 5

1.2.3 MoS₂物理性质 5

1.2.4 层状MoS₂的制备 5

1.2.5 MoS₂能量存储装置发展现状 8

1.2.6 MoS₂离子液体顶栅双栅场效应晶体管 11

1.3 本论文的主要研究方向及内容 13

1.3.1 研究方向 13

1.3.2 研究挑战 13

1.3.3 研究内容 13

第二章 双栅场效应纳米储能器件正极材料的制备与表征及器件构筑 15

2.1 引言 15

2.2少层MoS₂纳米薄片正极材料的制备 15

2.3 纳米器件加工技术 16

2.4少层MoS₂薄片双栅场效应晶体管/纳米储能器件示意图 16

2.5少层MoS₂薄片双栅场效应晶体管/纳米储能器件组装工艺 17

2.6少层MoS₂薄片双栅场效应晶体管/纳米储能器件表征 19

第三章 少层MoS₂薄片双栅场效应晶体管/纳米储能器件电输运性能的原位检测 20

3.1 引言 20

3.2 原位检测测试方法 20

3.3 原位检测分析 21

第四章 少层MoS₂薄片双栅场效应晶体管/纳米储能器件电化学性能测试 26

4.1 引言 26

4.2 电化学测试方法简介 26

4.3 MoS₂纳米储能器件的电化学性能测试与分析 27

4.4 电场增强型MoS₂纳米储能器件的电化学性能测试与分析 29

第五章 结论与展望 35

5.1 结论 35

5.2 展望 35

参考文献 36

附录 40

致谢 41

摘要

随着便携式移动设备及可植入性生物传感器件的应用，纳米能量存储器件在许多纳米级能量获取与传感技术中正起着不可或缺的作用，其作为中间能量存储环节，能够将所获取的间歇式能量储存并持续有效地输出运用在功能器件上，然而有关研究报道并不多见，因此它的能量存储密度、功率密度及稳定性等亟需更多的研究与突破。本论文通过MEMS工艺构筑了场效应增强型少层MoS₂薄片能量存储器件，研究了其电化学性能。此外，基于其双栅场效应晶体管/纳米储能器件，利用原位表征技术检测电极材料电输运状态，进而揭示容量增强机制，所得结果对于电化学存储领域具有重要的指导意义。主要研究工作分为以下两个部分：

1）设计组装出一种双栅场效应晶体管/纳米储能器件，利用此特殊结构对MoS₂纳米储能器件不同充放电状态进行了原位电输运测试。研究结果表明MoS₂电导在充放电过程中随着背栅电场引入呈周期性变化规律，而在任何充放电状态下，正的背栅电压都能使MoS₂的导电性得到一定增强。

2）进而利用此结构研究电场增强型MoS₂薄片纳米储能器件，验证外加背栅电场对电极材料的电子输运状态、电极材料和离子电解液的界面离子聚集状态和扩散程度等的调控作用。研究结果表明，当背栅电场达到10 V时，MoS₂纳米薄片的电子和离子输运性能是未加外置电场条件下的1.5倍和4倍。基于此优化的载流子输运性能，在扫描速率为30 mV s^-1时，纳米储能器件容量从1.2增强至7.3 μAh cm^-2说明了背栅电场激发了MoS₂电极的离子嵌入型反应容量，从而提高了其能量存储密度。

本文的特色是构筑了双栅场效应晶体管/储能器件复合器件，通过场效应实现了容量的提升与电极过程的原位检测。

关键词：原位、场效应、纳米储能器件、电化学、双栅

Abstract

With the applications of portable mobile devices and implantable biosensors, nanoscale energy storage device plays an important role in the field of nanoscale energy capture and sensor technology. As an intermediate energy storage link, it is able to obtain the intermittent energy and then output it continuously which can be effectively used on functional devices. However, there are not so many researches focus on it now, so its energy storage density, power density and stability still need to be studied more and made more breakthrough. Herein, we used MEMS fabrication technology to fabricate the multilayer MoS₂ based dual gate field effect nano energy storage device and studied its electrochemical performance. In addition, based on the dual gate field effect transistor/ nano energy storage device composite structure, we used the in situ characterization techniques to detect the electric transport state of electrode materials and further to reveal the capacity enhancement mechanism. The main research work is divided into the following two parts:

1) Design and fabricate the the MoS₂ dual gate field effect transistor/ nano energy storage device composite structure to in situ investigate the electrical transport of MoS₂. It is demonstrated that the conductivity of MoS₂ vary periodically with the charge and discharge. Also, the conductivity of MoS₂ is always enhanced by the introduction of positive back gate.