二硫化钼二维薄膜材料的研究与应用

二硫化钼二维薄膜材料的研究与应用
摘要：自从石墨烯问世以来，与其结构类似的二维层状纳米材料在众多研究
领域引起了更为广泛的关注。

二硫化钼是一种典型的二维瞬态过度金属层化合物，由范德华力连接。

由三层共价S-mo-S原子层组成。

二硫化钼转变为具有优异半
导体性能的二维超薄结构材料。

固体材料的带宽不仅增加了1.29ev，而且电子结构也从间接带宽隙变为直接带宽隙。

同时，二硫化钼在光电子器件中表现出优异
性能。

二维结构的二硫化钼在锂离子电池和催化剂中有着广泛的应用，二维结构
的二硫化钼材料因其优异的性能近年来得到了广泛的研究。

关键词：二硫化钼；结构和性质；材料制备；薄膜表征
前言
二维材料是由一个或多个原子层组成的晶体材料。

它的概念起源于十九世纪初。

经试验表明，二维材料可以独立存在。

石墨烯的发现为固态电子学中原子薄
层材料的研究开辟了一个新领域。

具有二维晶体结构的无机化合物的研究取得了
新进展，极大地激发了研究者的热情。

几十种不同性质的二维材料被发现，显示
了几种典型二维材料的晶体结构和性能。

给出了相应材料的临界超导体温度和带隙。

二维二硫化钼过渡金属硫化合物由于其固有的可调带宽引起了研究人员的极
大关注。

过渡金属硫化合物在横向和纵向异质结构中都具有新的物理性质。

1、二硫化钼结构和性质
1.1二硫化钼结构
二硫化钼由一个钼原子和两个硫原子组成，其中钼原子和硫原子共价结合形
成s-mo-s结构。

钼原子有六个最近的硫原子，而硫原子有三个最近的钼原子。

两者形成三棱柱状配位结构，层与层之间存在微弱的范德华力作用，每层之间的
距离大约0.65nm，Mo原子与S原子间的相对位置差异形成晶体结构[1]。

1.2二硫化钼的光学性质
二硫化钼薄膜具有层状结构和特殊的能带结构，具有独特的吸收和光发射等光学性质。

这些特性将使二硫化钼薄膜在光电子器件中得到广泛应用。

当二硫化钼薄膜为单原子层时，其带隙结构将由间接带隙转变为直接带隙并成为导体。

当二硫化钼薄膜为多层膜时，其具有独特的光学性质。

1.3二硫化钼的电学性质
二硫化钼主要由间接带隙半导体和非垂直电子跃迁模式组成。

当为单层时，材料间接跃迁带隙宽度大于直接带隙宽度，电子跃迁方式存在两种垂直跃迁，表现出直接带隙半导体的特性层状二硫化钼的散射机制。

散射机制对材料载流子迁移率的影响通常也会受到温度、能带结构和材料厚度等的影响。

2、二硫化钼薄膜的表征
2.1 SEM表征
用扫描电子显微镜(SEM)表征了MoS2薄膜的形成过程。

结果表明，二硫化钼薄膜的形成过程经历了几个阶段。

在裸衬底上随机观察到形成核心区域的小三角形。

当两个或多个区域相遇时，核心区域继续生长并形成连续的膜。

通过一个完整且致密的成核位置，最终将在大面积上形成连续的二硫化钼膜。

环境浓度和真空度是影响薄膜生长的两个重要参数。

2.2 Raman表征
拉曼光谱可以准确、快速地表征样品。

拉曼光谱的一个优点是在不干扰样品表面结构的情况下进行拉曼表征[2]。

二硫化钼发射峰主要位于383-410cm-1之间。

拉曼光谱中有两种振动模式，层数和厚度可以确定，通过测量拉曼光谱中两种振荡模式之间的波数差来测量二硫化钼纳米薄膜的厚度。

3、二维结构二硫化钼薄膜的制备
目前薄层M0S2的制备方法主要分为微机械剥离法、锂离子插层剥离法、液相超声剥离法、水热法以及化学气相沉积法,并且可以推广到其它二维结构材料的制备。

3.1微机械剥离法
微机械条通常使用专用条将二硫化钼粉末直接提取到二硫化钼纳米涂层中。

随着工艺的改进，二硫化钼厚度从几层到几十层不等。

微机械剥离法的主要优点
是工艺简单，操作舒适，蒸汽提升效率高[3]。

得到的二硫化钼单分子膜通常具有
良好的单晶结构和较高的载流子迁移率。

但是，该方法具有收率低、重现性差的
缺点。

3.2锂离子插层剥离法
当采用锂离子剥离时，锂离子内插剂与二硫化钼粉末反应时，内插物质、萃
取剂在质子溶剂中发生剧烈反应。

这种单层二硫化钼方法由Morrison等人于
1986年提出。

锂离子相互校准效率高，结果接近100%。

制备的纳米颗粒质量良好，可用于提取其他层状无机化合物。

但是过程很难控制，容易受到杂质的影响。

然而，锂离子层之间的电化学分离有效地避免了上述问题，并获得了单层二硫化钼。

3.3液相超声剥离法
液相超声波剥离法是将二硫化钼置于合适的溶剂中，并通过超声波从块体上
移除一个薄的二硫化钼片。

通过液相超声选择的溶剂通常为极性溶剂，对涂层材
料具有良好的分散性和溶解性，且易于接触到表面，获得一薄层二硫化钼材料。

该方法更加便宜、环保。

3.4水热法
水热法通常是高温高压水或其他有机溶剂中钼硫化合物的合适来源。

还原剂
添加在封闭的反应容器中，常用的还原剂有盐酸羟胺、肼、硫氢等。

二硫化钼的
生产采用了各种水热方法，一定厚度纳米薄膜的合成受反应温度和时间的影响。

3.5化学气相沉积法
化学气相沉淀法通常选择合适的前驱体进行高温反应和基底储存，以获得大
面积的二硫化钼薄膜。

化学气相沉积技术是目前生产二维二硫化钼最为广泛的方
法，可以制备出尺寸和厚度可控的高质量二硫化钼薄膜。

然而，这种方法通常需要高温，并且产品质量对基底的表面处理有很大影响。

4、二维结构二硫化钼薄膜的潜在应用
4.1场效应晶体管
场效应晶体管是利用控制输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件。

随着电子时代的到来，同样也要求晶体管向着更小尺寸发展[4]。

而我们之前常见的硅一氧化物晶体管的尺寸改变将会影响其电子性能，而这一问题，单层二硫化钼等二维材料可以解决。

4.2传感器
纳米二硫化物具有较大的比表面积和独特的电化学和电子性质，更有利于气体分子的吸附，并对其导电性有较大的影响。

二硫化钼可以用作气体传感器。

同时，由于单层二硫化钼具有直接带隙，其吸收系数也非常高，并且其电子-空穴激发在照明中也非常高，因此二硫化钼还可以用于切割光学传感器。

4.3催化剂
二硫化钼材料具有良好的催化加氢脱硫活性，已广泛应用于石油加氢脱硫。

结果表明，利用CO或Ni纳米粒子修饰的二硫化钼纳米材料脱硫率为98%，对二硫化钼固体和二硫化钼纳米管具有良好的加氢脱硫(IV)催化活性[5]。

5、结束语
虽然二硫化钼已经初步显现出其特有的优点，但目前关于二硫化钼的研究仍处于起步阶段，如何制备出层数可以控制、高质量、大面积的二硫化钼薄膜仍然具有一定的挑战性。

另外，二硫化钼独特的带隙结构使其在多领域具有潜在的应用价值，但基于二硫化钼的器件理论仍然不太成熟，如何优化器件结构以及性能需要更多的理论和实验支撑。

总之，虽然二硫化钼有着广阔的应用前景，但要真正实现工业化，仍需要人们不断的努力。

参考文献
[1]胡坤宏，沃恒洲，韩效钊，等.纳米二硫化钼的制备现在与发展趋势[J].现代化工，2003，23：14-21.
[2]於逸骏，张远波.从二维材料到范德瓦尔斯异质结[J].物理，2017，
46(4)：205-213.
[3]马浩，杨瑞霞，李春静.层状二硫化钼材料的制备和应用进展[J].材料导报(A)：综述篇，2017，31(2)：7-14.
[4]汤鹏，肖坚坚，郑超，等.二维层状二硫化钿及其在光电子器件上的应用[J]・物理化学学报，2013，29(4)：667-677.
[5]胡平，陈震宇，王快社，等.二维层状二硫化鉗复合材料的研究进展及发展趋势[J].化工学报，2017，68(4)：1286-1297.。