论文总字数：14481字

摘 要

单层二硫化钼（MoS₂）因为具有非零的直接带隙、高电子迁移率、低维度等优异特性而成为光电器件、微电子器件、催化、等领域极具发展潜力的一种半导体材料。本文首先对二硫化钼的基本结构、光学性质、电学性质及应用进行了简要的介绍，并对目前单层MoS₂常用的制备技术进行了综述。接下来，本文采用机械剥离法，围绕单层MoS₂的制备及其物性表征开展了研究工作，旨在通过该项工作掌握单层MoS₂的物理剥离技术，了解二维材料的物性表征及分析方法。

关键词：单层MoS₂ 机械剥离法 二维材料

The Investigation of the Preparation and Physical Properties of monolayer MoS₂

Abstract

The monolayer of molybdenum disulfide (MoS₂) is a kind of semiconductor material with great potential for the development of optoelectronic devices, microelectronic devices, catalysis, and so on because of its non-zero direct bandgap, high electron mobility and low dimension. In this paper, the basic structure, optical properties, electrical properties and application of molybdenum disulfide are briefly introduced, and the preparation techniques of monolayer MoS₂ are reviewed. In this paper, the mechanical stripping method was used to study the preparation and characterization of monolayer MoS₂, and the physical stripping technique of monolayer MoS₂ was used to understand the physical characterization and analysis of two-dimensional materials.

Key Words: Monolayer of molybdenum; disulfide Micromachined stripping method; 2D material

目 录

摘 要 2

Abstract 3

第一章 单层二硫化钼薄膜简介及应用 6

1.1 二维材料 6

1.1.1 二维材料的定义 6

1.1.2 二维材料的简介 6

1.2 二硫化钼的结构 7

1.3二硫化钼的几种简单应用 8

第二章 单层二硫化钼的制备及表征技术 11

2.1单层二硫化钼的制备 11

2.1.1微机械力剥离法 11

2.1.2化学气相沉积（CVD）法 12

2.1.3锂离子插层法 13

2.2单层二硫化钼的表征技术 14

2.2.1光学显微镜 14

2.2.2拉曼光谱 15

2.2.3原子力电子显微镜 16

2.2.4光致发光谱 17

第三章 微机械力剥离法制备单层二硫化钼 18

3.1样品制备方法 18

3.2样品表征结果 20

结语 23

致谢 24

参考文献 25

第一章 单层二硫化钼薄膜简介及应用

1.1 二维材料

1.1.1 二维材料的定义

在如今的材料家族中，有着这么一类二维材料，每一个单层的原子间以稳定的化学键耦合，但每一层之间的Van der Waals作用力却比较弱，借助这一特点，我们可以采用一定的手段与方法将层状结构分离，形成新的单个单层结构，他们稳定地固定在同一个2D平面上，因此我们称之为二维（2D）材料。^[1]在这些层状材料，分层Van der Waals 家族材料的二维材料是最常见的来源。

1.1.2 二维材料的简介

二维（2D）材料是一种新型的纳米材料，其横向尺寸（gt;10^-1 μm）远大其厚度（10^-1~10¹nm）。尽管对这种材料的研究可追溯到几十年，但2004年是标志着超新兴2D纳米材料复苏的一年，因为在这一年Novoselov，Geim和同事们使用Scotch胶带将石墨烯从石墨中成功剥离（目前被列为微机械力剥离技术）。2D材料的特征是独特的，由于电子被限制在两个维度上，因此材料获得了前所未有的物理，电子和化学性质。石墨烯是一种典型的2D材料模型，当它以体材料的形态存在时，与传统半导体材料相比有着许多独特优良性能：①超高电子迁移率（室温条件下可达10⁵ cm²/Vs）②量子级别的霍尔效应③超大的比表面积（面积厚度比）④高杨氏模量⑤极佳的光学透明度⑥优良的电气和热导电性。近些年来，国际上对其他类石墨烯2D材料的研究也十分火热。例如：氮化硼（BN），过渡金属二硫属元素（TMD）材料，石墨碳氮化物（g-C₃N₄），层金属氧化物和层状双氢氧化物（LDH）等，这些2D材料不仅具有与石墨烯相似的性质，部分类石墨烯材料还具有石墨烯所不具备的优异特性，如非零带隙等。

1.2 二硫化钼的结构

作为一类典型的TMDCs，MoS₂具有六方层状堆叠的结构。MoS₂的晶系结构可以大致划分为两种：①一种是六角晶系，每一层的MoS₂与相邻晶层的晶向垂直；②另一种是天然的棱面晶系：所有晶层间的晶向均呈平行。其中六方晶系MoS₂的晶体结构大体可以分为以下三类：1T型、2H型和3R型（如图1-2所示），其中1T型和3R型晶体结构比较不稳定，一般来说将他们划归为亚稳态结构。而2H结构较为稳定，所以常见的二硫化钼多为2H结构。

图1-2.六方晶系二硫化钼的三种晶体结构^[2]

2H型二硫化钼是一种常见的拥有半导体性质的层状结构。单层二硫化钼由三个原子层组成，从上往下分别是硫原子层—金属钼原子层—硫原子层。如图1-3所示（a）示。同层内的原子的结合方式为较强的共价键，而多层MoS₂的层与层之间是只有微弱的Van der Waals力，根据计算，层与层之间的理论值距离约为0.65 nm。

体材料MoS₂作为一种间接带隙半导体材料，其带隙约为1.29 eV。如图1-4所示，当体材料MoS₂逐渐分离成单层结构时，其间接带隙也将会变成直接带隙 。

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