二维二硫化钼纳米薄膜材料的研究进展

第42卷第#期 2018年6月

中国钼业

CHINA M OLYBDENUM INDUSTRY

Vol.42 No.3

Jun2018二维二硫化钼纳米薄膜材料的研究进展

李瑞东W，张浩1，潘志伟1，白志英1，孙俊杰1，邓金祥1，王建鹏3

(1.北京工业大学，北京100124)

(2.防灾科技学院，河北三河065201)

(3.河北省地矿局第七地质大队，河北三河065201)

摘要:作为过渡金属硫族化合物，二硫化钼具有可调带隙的二维层状材料，其特有的性质引起科研工作者的广泛

关注，在光电子领域有着广阔的应用前景。文章介绍了二硫化钼的结枸及其性质，以及常见的制备二硫化钼纳米

薄膜的方法。给出了表征二硫化钼纳米薄膜的常见手段。

关键词:二硫化钼;结枸和性质;材料制备;薄膜表征

D O I：10. 13384/ki.cmi. 1006 -2602. 2018. 03. 002

中图分类号:T g25.2+41 文献标识码:A文章编号:1006 -2602(2018)03 -0006 -05

RESEARCH PROGRESS OF 2D TRANSII^ION METAL DICHALCOGENIDES

LI Rui-dong1，2,ZHANGHao1，PAN Zhi-wei1，BAI Zhi-ying1，SUNJun-jie1，

DENG Jin-xiang1，WANG Jian-peng3

(1. Beijing University of Technology，Beijing 100124，China)

(2. Institute of Disaster Prevention，Sanhe065201，Hebei，China)

(3. No.7 Geological Brigade，Hebei Geology and Mineral Exploration Bureau，Sanhe065201，Hebei，China) Abstract:As transition metal dichalcogenides，M0S2is two-dimensional layered material with tunable band gap.Its

unique nature has attracted the attention of researchers and it has a wide application prosj^ect in the field of optoe­lectronics.The structure and property of molybdenum disulfide were introduced，and the common metliods for pre­paring molybdenum disulfide nano-films were presented.Meanwhile，the common met!iods of characterizing molyb­

denum disulfide nano-films were given.

Key words ：molybdenum disulfide；structure and property；preperation of material；

0引言

二维材料是指由单原子层或少数原子层构成的 晶体材料，其概念可以追溯到十九世纪初期。二维 材料的稳定性问题一直困扰着研究者们。直到 2004年，Novoselov和Geim[1]首次制备出了稳定存 在的二维石墨烯，证明了二维材料可以单独存在。石墨烯的发现，在固态电子学中诞生了一种原子级 薄材料的新兴研究领域。但由于石墨烯几乎没有带 隙，极大地限制了其在光电子学中的应用[2-3]。为 此，广大科研工作者们努力寻找其他可以替代石墨 烯的材料。近年来，具有二维层状晶体结构的无机 化合物的研究不断取得新进展，大大激发了研究者 们的研究热情。截止目前，人们发现了几十种性质 截然不同的二维材料，涵盖了绝缘体、半导体、金属

收稿日期:2〇18 -03 -02;修订日期:2018 -03 -28

作者简介:李瑞东（1982—),男，防灾科技学院讲师，北京工业大学 在职博士研究生，主要从事新型半导体薄膜材料与器件

的研究。E-m ail:liruidong_hit@163. com 等不同的属性（图1)[4]。列举了一些典型的二维材 料的晶体结构和性质。按照电学性质将二维材料分 为导体、半导体和绝缘体。相应材料的超导临界温 度和带隙的范围也在图中标出。图1所列的仅仅是 二维材料家族中的冰山一角[4]。

作为一种半导体，二维材料由于其超薄的特性 及良好的电学性质而在纳米电子学器件领域中得以 广泛应用[5-7]。在二维材料中，石墨烯由于具有高 迁移率等优良的物理性质而吸引了广大研究者的研 究，但是由于其零带隙的特点而使其应用受到限制[8_10]。过渡金属硫族化合物具有独特的夹带结 构，随着层数的减少，带隙能量越来越大，其中，以二 维层状二硫化钼（m〇S2)为代表的二维过渡金属硫 化物由于具有天然的可调带隙而引起广大研究者的 广泛关注。目前，过渡金属硫族化合物在横向和纵 向异质结方面显示出新奇的物理现象[11_13]，二硫化 钼已经在场效应晶体管、存储器、发射器等方面广泛 研究。二硫化钼是一种带隙能量在1.2 ~ 1.8 e V的层状半导体材料，它的物理性质严重依赖于厚

第42卷第3期

度[14_15]。比，随着二硫化钼厚度的下降，已经观 合成高质量原子层二硫化钼仍然具有一定的困难，察到它的光致发光现象 增强[15]。而，大范围 有待进一步研究。

2H-二硒化铝1T-二硫化钽铝锶钙铜氯铁硒石墨烯硅烯 黑磷2H.

100

图1二维材料大家族

1二硫化钼结构和性质

1.1二硫化钼结构

二硫化钼由1个钼原子和2个硫原子组成。其 中，钼原子和硫原 键的形 合 构成图2[16]所示的S-M〇-S结构。M:原子有最近 邻的6个S原，S原有3个最近邻的M：原子。两者形成三棱 配位结构，层与层之间存在微弱的范德华力 ，每层之间的距离大约$65nm。M:原子与S原间的相对位异形成图2 (b$所示的3种晶 构。1.2二硫化钼的光学性质

二硫化钼薄膜拥有特殊的层状结构和能带结 构，这就使得 有独特的光 ，如荧光吸收和

发射等。这 将使二硫化钼薄膜在光电器

面具有广泛的 前景。

二硫化钼为 时，它是间接带隙半导体，不会发生光吸收的 。随着二硫化钼薄膜越来越薄，它的带隙也将发生 。当二硫化钼薄膜为单原子层时，隙构将从间隙变为 隙，它将变成导体。当二硫化钼薄膜为几层时，将现出独特的光 ，有的发光峰在625〜670 nm处[见图 3(a$][17]。Ghatak等[18]械剥离的备了二硫化钼纳米薄膜，在L#2 波长的激光激发下，成功采集到了二硫化钼薄膜特有的光 发射图谱，在625〜670 nm处出现了二硫化钼薄膜 的特征峰见图3(b)。

图2 M〇S2的三维结构（a)和3种晶体结构（b)[16]

(a)-紫外吸收图[17];(b)-光致发光图[18]

1.3二硫化钼的电学性质

图4(a)为二硫化钼的简化能带图[19]。体材料 的二硫化钼属于间 隙半导体，跃迁 为非垂直跃迁，如图4 (a$中的③所示，随着层数的减

，隙宽度变宽，当为单层时，间跃迁带隙宽度大于 隙宽度，跃迁 在①、②两垂直跃迁，带隙宽度为！ = 1.92 eV[20]，现 隙半导 的

。