摘 要

单层二维过渡金属硫化物（TMDCs）如反演对称性破缺的MoS₂，具有两简并而不等价的谷，可以选择性地用圆偏振光激发。这个独特的属性呈现出有趣的谷物理。（利用光或外部场来操纵谷自由度的能力使其对于光电子和自旋电子应用具有吸引力）。大面积的单层（ML）TMDCs在某些测量及设备应用上有很大的需求。最近关于大面积MLTMDCs的报告都专注于利用化学气相沉积生长法来制备它。本文绪论要系统的介绍二硫化钼的晶体结构、电子结构、光学性质、实际应用及普遍的简易制备方法。在第二章——实验部分我们要详细介绍一种能够大规模制备单层MoS₂连续膜且几乎无过度生长或空隙的方法，即采用三氧化钼超薄薄膜硫化的方法。光电导设备尺寸为4.5mm，表现出了出色的薄膜均匀性。生长机制是蒸发、扩散、硫化和横向生长。所有这些都在亚微米级，我们的方法为大面积单层TMDC生长和无光刻设备制造提供了新的途径。同时本文也将介绍表征技术，即光学显微镜，扫描电子显微镜和拉曼光谱。

关键词：二硫化钼性质，厘米级二硫化钼单层膜，生长机理，表征

Preparation and Spectral Characteristics Analysis of Monolayer Molybdenum Disulfide

Abstract

Monolayer two-dimensional transition metal dichalcogenides ( TMDCS ) such as MoS₂ with broken inversion symmetry possesses two degenerate yet inequivalent valleys that can be selectively excited by circularly polarized light.This unique property renders interesting valley physics.The ability to manipulate valley degrees of freedom with light or external field makes them attractive for optoelectronic and spintronic applications.There is great demand for large area monolayer ( ML ) TMDCS for certain measurements and device applications.Recent reports on large area ML TDMCs focus on chemical vapor deposition growth.The introduction of this article should systematically introduce the crystal structure, electronic structure, optical properties, practical application and general simple preparation method of molybdenum disulfide. In Chapter 2—Experimental section, we describe in detail a method for the large scale preparation of monolayer MoS₂ continuous membranes

with almost no overgrowth or voids.That is, a method using a molybdenum trioxide ultrathin thin film for vulcanization.Photo conductivity scales with device sizes up to 4.5 mm suggesting excellent film uniformity . The growth mechanism is found to be vaporization , diffusion sulfurization and lateral growth , all at local micrometer scale . Our approach provides a new pathway for large-area ML TMDC growth and lithography-free device fabrication.At the same time, this article will also introduce characterization techniques,namely ptical microscope, scanning electron microscope and Raman spectroscopy.

Keywords:properties of molybdenum disulfide, centimeter-level molybdenum disulfide monolayer film, growth mechanism, characterization

目录

封面...............................................................................Ⅰ

摘要..............................................................................Ⅱ

目录..............................................................................Ⅳ

1绪论............................................................................1

1.1引言.......................................................................1

1.2二硫化钼的性质与结构...........................................1

1.2.1二硫化钼的晶体结构...............................................1

1.2.2二硫化钼的电子结构...............................................2

1.3二硫化钼的应用.............................................................3

1.3.1润滑剂.......................................................................3

1.3.2场效应晶体管...........................................................3

1.4表征技术..............................................................4

1.4.1光学显微镜...............................................................4

1.4.2扫描电子显微镜.......................................................4

1.4.3拉曼光谱...................................................................4

2实验及其结果讨论.....................................................6

2.1实验..................................................................................6

2.1.1生长过程...................................................................6

2.1.2器件制备和光电流测量...........................................7

2.2结果与讨论.............................................................7

2.2.3结论.........................................................................14

3参考文献......................................................................15

4致谢..............................................................................18

1绪论

1.1引言

二维材料是一种由于化学键而形成的具有很强平面结合力，但层间互相影响极小的分层材料。这种独特的性质赋予了二维材料极其广阔的应用前景。范德瓦尔系列的材料则由于平面化学键牢固，平面之间由范德华力维系这种典型的二维材料特征在众多分层材料中脱颖而出，成为最常见的二维材料来源。

在2004年Novoselov和Gem成功的制备出了单层石墨烯^【1】，从现实层面证明了二维材料可以稳定存在，这同时也激发了研究人员对二维纳米材料的研究热情。作为二维材料的开端，石墨烯迅速成为范德瓦尔材料家族中最为人熟知的一员。石墨烯是单原子层材料，具有许多独特的性质，如：1极高的导电性^【2】 2良好的导热性^【3】 3极高的载流子迁移率（约10000cm² / vs）^【2】，如此多优秀的性能令石墨烯成为全世界研究人员的宠儿。从04年至今石墨烯的开发应用已经日趋成熟，比如超级电容器^【5】和气体探测器^【4】等。与此同时，石墨烯的研究也让学界打开了二维材料的大门，人们对它的实验室制备、表征以及其在量子霍尔效应、电子自旋^【6】和电子结构等方面的理论研究逐步深入。然而，单层石墨烯本身没有带隙，这使得其在逻辑电路中的应用相当有限。但单层的石墨烯并没有带隙，极大限制了它在逻辑电路领域的前景。这种材料性质决定的缺陷很难弥补，研究人员不得不另辟蹊径，寻找其他二维材料替代。在这之后，以二硫化钼（MOS₂）为代表的过渡金属硫化物（TMDCs）逐渐进入研究人员的视野。

TMDCs和石墨烯有十分相似的六边形晶格，能够起到相似的作用，所以MoS₂可以替代石墨烯达到目的。而体材料的MoS₂是间接带隙半导体^【7,8】，由于量子限制，单层 MoS₂具有1.8-1.9ev的直接带隙^【9】。此外，破缺的反演对称性在带结构中产生两个不等价的谷，即有内在耦合的谷和自旋自由度。圆偏振光对不同谷的选择性激发导致了谷物理学，并有望应用于自旋电子学和谷电子学。

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