摘 要

近年来，大量的研究发现二维纳米半导体材料具有独特的光学，电学和力学等特性，而Si又是半导体工业的基础，其与多种元素形成的化合物表现出了许多优异的电学和光学特性。Si₂Te₃是Si-Te形成的唯一化合物，块体Si₂Te₃是p型半导体，晶体结构为三方晶系，空间群为P31c，以Si-Te-Si为周期形成层状结构，层间是通过范德华力来连接，所以可以使用机械剥离法来获得Si₂Te₃二维层状纳米结构。本文使用固相反应法合成了Si₂Te₃块体材料，通过机械剥离法制备了具有原子级厚度的Si₂Te₃二维纳米材料，采用霍尔效应测量系统和拉曼光谱测试等分析测试了其光电性质。所得结果对Si₂Te₃是否可以大量应用于工业生产具有重要的指导意义。

论文主要研究了利用固相反应合成Si₂Te₃块体的方法和其生长环境，以及利用机械剥离方法制备具有原子级厚度的Si₂Te₃二维纳米材料，并通过能谱仪测得所生成物质的成分及元素配比，合成产物的表面形态则通过扫描电镜（SEM）和原子力显微镜观测，利用紫外-可见-近红外分光光度计测试了机械剥离得到的Si2Te3纳米结构的反射率和透射率。

研究结果表明：利用固相反应法能够成功制备出成分均一的层状Si2Te3块体材料，通过机械剥离方法可在此基础上得到厚度在纳米量级的表面平整的Si2Te3二维纳米结构。

关键词：固相反应法；机械剥离法；Si₂Te₃二维层状纳米材料；扫描电镜。

Abstract

In recent years,  great deal of research has found that two-dimensional nano semiconductor materials have unique propertiesinoptical, electrical and mechanica.,And Si is the basis of semiconductor industry and its formation with a variety of elements compounds exhibit many excellent properties in electrical and optical. The only compound Si-Te formed is Si₂Te₃, the block Si₂Te₃ is a p-type semiconductor, it’s crystal structure is the three party system, the space group is p31c, to Si-Te-Si cycle and form layered structure, the interlayer is connected by van der Waals force, sowecanuse mechanical stripping method to obtain Si₂Te₃ two-dimensional layered nano structure. Analysis of the solid state reaction synthesis Si₂Te₃ bulk materials, by mechanical exfoliation method prepared with atomic level thickness Si₂Te₃ two-dimension nano materials, using Raman spectroscopy and Hall effect measurement system testing and testing the optical and electrical properties. Whether the Si₂Te₃ can be applied to industrial production is of great significance.

Paper mainly studies the method of block by solid state reaction synthesis Si₂Te₃ and its growth environment, and by mechanical removal methods of prepared with atomic level thickness Si₂Te₃ two-dimension nano materials, and the spectrometer measured the generated material composition and ratio of element and the surface morphology of the synthesized product is by scanning electron microscopy (SEM) and atomic force microscope observation and by UV - visible - near infrared spectrophotometry meter testing the reflectance and transmittance of the stripping machine Si₂Te₃ nanostructures.

The results show that: by solid phase reaction method we can successfully prepare homogeneous layered Si₂Te₃ bulk materials, based on thickness in nanometer scale surface roughness of Si₂Te₃ two-dimensional nanostructures by mechanical exfoliation method.

Key words: solid state reaction method; mechanical stripping method; Si2Te3 two-dimensional layered nano materials; scanning electron microscope.

目录

第1章 绪论 1

1.1引言 1

1.2 国内外研究进展 1

1.3二维材料的制备方法 4

1.4论文主要研究意义和内容 5

1.4.1论文意义 5

1.4.2论文内容 6

第2章 制备方法与仪器 7

2.1制备方法 7

2.1.1固相法 7

2.1.2机械剥离法 7

2.3实验仪器 7

2.3.1扫描电子显微镜 7

2.3.2能谱仪 8

2.3.3原子力显微镜 8

2.3.4分光光度计 9

第3章 制备与测试 10

3.1 Si₂Te₃样品的制备 10

3.2机械剥离法剥离Si₂Te₃ 14

3.3光学测试 20

3.4 AFM测试 22

第4章 总结与展望 24

4.1实验总结 24

4.2展望 24

参考文献 25

致谢 27

第1章 绪论

1.1引言

在21世纪，随着科学的快速的发展，信息能源等各种各样的领域都对材料的要求越来越高。因为纳米材料具有量子效应、宏观量子隧道效应、表面效应和小尺寸效应等特性，所以纳米材料在光，电，磁等方面呈现常规材料不具备的一些特性，所以纳米材料的应用也随之应运而生，中科院已将纳米技术定位为“21世纪最重要、最前沿的科学”。纳米材料的应用涉及到了许多领域，在机械、磁学、生物学、化学、光学和电子领域有着非常广泛的应用前景。纳米科学技术的诞生与发展，将对人类社会产生非常重大的影响，并有可能从根本上解决人类现在面临的许多问题，特别是人类健康、环境保护和能源等一些重大问题。

在纳米材料中，由于纳米材料具有小尺寸效应，使得纳米材料具备了许多大块材料所不具备的性质，比如在光学性质方面，纳米材料的尺寸影响着它们的光吸收，光反射等性质。在2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫使用斯高胶带剥离石墨而获得了单层的石墨片^[1],石墨烯是一种二维层状材料，经研究发现，石墨烯的碳原子是以蜂窝状排列形成了一种单层网状结构。已有研究指明石墨烯在磁学、力学、光学、电学上均有着优秀的特征^[2-8]，因此石墨烯受到了极大地关注^[9]。虽然石墨烯具有这么多的优点，但是石墨烯具有的一些缺点缺阻碍了它在光电领域的发展，比如石墨烯的吸光效率只有2%，另外缺少带隙以及闭路漏电流较大^[10]。为了解决这种问题，研究人员们着手研究其他的一些类似石墨烯这样具有二维层状结构的材料。

1.2 国内外研究进展

在过去的几年中，由于石墨烯表现出来的独特性质和在各个领域存在的潜在价值，引起了人们的广泛关注。随着石墨烯的发现，二维层状纳米材料由于其独特的理化性质，受到了广泛的关注。到目前为止，研究报道了大量的二维层状纳米材料，根据它们的结构可以分为如下三类 ^[11] :第一类是具有原子厚度的六边形纳米片，如石墨烯和六方氮化硼；另一类包括过渡金属硫化物(如：MoS₂和MoSe₂)和金属卤化物(如：PbI₂和MgBr₂) ^[12]；它们都具有相似的结构,金属层夹在两个相邻的硫层或者卤层之间;第三类是层状金属氧化物(如：MnO₂和MoO₃)和层状双氢氧化物(如：Mg₆Al₂(OH)₁₆)^[13]。此外，一系列新的过渡金属碳化物二维材料也相继被发现^[14]。科学家们已经广泛报道了不同性质的二维纳米材料以及他们在多个领域里的应用，这些材料大都是通过机械剥离法制备的。^[15-19]研究最为广泛的石墨烯就是一个例子。单层石墨烯表现出很高的本征载流子迁移率（2630 m²g⁻¹），较高的热导率(≈5000 Wm⁻¹K⁻¹)，较高的杨氏模量(≈1.0 TPa)，以及较为优越的光学吸收特效和电输运特性 ^[20-23]。这些独特而又突出的特性使得石墨烯具有极大的应用前景.石墨烯能够应用于柔性电子材料,诸如触屏显示器,电子文件以及有机发光二极管,这些应用领域都要求材料必须具有较低的表面电阻率和较高的透光率. 石墨烯良好的机械稳定性和化学稳定性使得它明显优于昂贵而又延展性低的氧化铟锡(ITO) ^[23-26]。此外,石墨烯可以制成带有逻辑功能的场效应晶体管，或者通过改变其纳米结构或是对其进行化学官能团原子的修饰从而改变石墨烯的能带结构，以此制造高频电子器件。在光电领域,基于石墨烯对可见光频段具有很高的吸收率以及极快的响应速度，因此可以用它来制造光电探测器和光学调节器。此外,在能源领域，石墨烯也是一种极为理想的电池和超级电容器新型材料。随着研究的深入，石墨烯以外性能优良的二维纳米材料体系也相继被理论和实验发现，其中有一些已经被深入研究，诸如六方氮化硼以及过渡金属硫族化合物，另外最近还报道了新型二维纳米材料二维双氢氧化物。

目前除石墨烯外，二硫化钼也是最具代表性的二维半导体材料之一。二硫化钼是过渡金属二硫化物，其结构也是二维层状的。二硫化钼有着特殊的光学性质，电学性质和机械性质，由于这些特殊的性质，二硫化钼在光催化，逻辑电路，光伏和光探测等领域都极具潜在价值。比如，单层二硫化钼FET器件表现出较高的开关比（~10⁸）,较低的阈值摆幅（ss~70mV/decade）以及较高的电子迁移率（~200cm²V^-1s^-1）^[11]。此外，单层二硫化钼FET器件与石墨烯器件相比具有更高的光响应（~7.5mA/W）^[12]，二硫化钼的这些特征这也更加的表明了其在光电领域的潜在的应用价值。在研究单层二硫化钼二维纳米材料的光电性能的实验中，如图1.1所示，研究人员首先构建了光探测器，这个光探测器是基于单层二硫化钼的。他们深入的研究了光电流的激发原理，光电子的产生和湮灭等过程。经过测试可以发现制备好了的单层二硫化钼光探测器的光响应度大于石墨烯光晶体管的光响应度。因此我们可以认为，单层二硫化钼由于其独特的性质，在光电器件领域具有很大的潜力与前景，所以已有很多关于二硫化钼的研究已被进行。