二硫化钼—石墨烯异质结的制备与研究

二硫化钼—石墨烯异质结的制备与研究

刘凯

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摘要：本文研究了二硫化钼—石墨烯异质结的制备方法和性质。通过化学气相沉积（CVD）技术，在石墨烯基底上沉积二硫化钼，形成二硫化钼—石墨烯异质结。采用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）等表征手段对样品进行了形貌和结构分析。研究结果表明，制备得到的二硫化钼—石墨烯异质结具有较好的结晶性和界面结合。进一步通过X射线衍射（XRD）和拉曼光谱分析，研究了样品的晶体结构和振动特性。结果显示，二硫化钼—石墨烯异质结具有优异的电子传输性能和光学特性。本研究为二硫化钼—石墨烯异质结的制备和应用提供了重要的参考。

关键词：二硫化钼；石墨烯；异质结；制备方法；性质分析

1.引言

近年来，二维材料的研究引起了广泛关注，其中石墨烯作为最典型的二维材料之一，具有出色的电学、热学和力学性能。然而，石墨烯本身的零带隙特性限制了其在电子器件中的应用。为了克服这一限制，研究人员提出了通过将石墨烯与其他材料形成异质结构来调控其性能的方法。而二硫化钼作为一种具有良好电学特性的二维材料，与石墨烯的结合可以在性能上实现互补和协同效应。

2.实验方法

2.1 化学气相沉积（CVD）方法

化学气相沉积（CVD）是一种常用的方法，用于在石墨烯基底上制备二硫化钼—石墨烯异质结。以下是具体的实验步骤：

首先，准备石墨烯基底。石墨烯可以通过机械剥离法、化学气相沉积法或化学剥离法等方法制备得到。在实验中，我们使用已经制备好的石墨烯基底。

然后，准备二硫化钼前体。通常，二硫化钼前体可以通过机械研磨二硫化钼粉末获得。在实验过程中，将二硫化钼粉末置于石英舟中，并放入石墨炉中进行预处理，以去除杂质和氧化物。

接下来，进行CVD生长过程。将预处理后的二硫化钼前体和石墨烯基底放置在石英舟中，然后将石英舟放入石墨炉中。调节石墨炉的温度和反应气氛，通常采用惰性气体（如氩气）作为载气和硫化物源（如二硫化碳）供应。在合适的温度和气氛下，二硫化钼会在石墨烯基底上生长形成二硫化钼—石墨烯异质结。

2.2 表征手段

实验完成后，需要对制备得到的二硫化钼—石墨烯异质结进行表征。以下是常用的表征手段：

（1）扫描电子显微镜（SEM）

使用SEM可以观察样品的表面形貌和结构。通过SEM图像，可以评估样品的形貌特征、异质结的分布以及界面的质量。

（2）透射电子显微镜（TEM）

TEM是一种高分辨率的表征技术，可以观察样品的微观结构。通过TEM图像，可以确定样品的晶体结构、异质结的层级以及界面的原子排布情况。

（3）X射线衍射（XRD）

XRD技术可以用来确定样品的晶体结构和晶体取向。通过测量样品的XRD衍射峰，可以确定二硫化钼和石墨烯的晶体结构以及异质结的形成。

（4）拉曼光谱

拉曼光谱可以提供样品的振动信息，用于分析样品的结构和性质。通过测量样品的拉曼光谱，可以确定二硫化钼和石墨烯的振动特性以及异质结的影响。此外，还可以使用电学性质测试、光学性质测试等方法对二硫化钼—石墨烯异质结进行更深入的分析和评估。

本研究采用化学气相沉积（CVD）方法在石墨烯基底上制备二硫化钼—石墨烯异质结。通过SEM、TEM、XRD和拉曼光谱等表征手段对样品的形貌、结构、晶体结构和振动特性进行详细分析。这些实验方法能够帮助我们深入了解二硫化钼—石墨烯异质结的制备过程和性质，为其在电子器件和光电器件等领域的应用提供基础支持。

3.结果与分析

3.1 形貌和结构分析

在本研究中，通过化学气相沉积（CVD）方法成功制备了二硫化钼—石墨烯异质结。首先，我们对样品的形貌和结构进行了分析。

通过扫描电子显微镜（SEM）观察，可以看到样品表面呈现出典型的石墨烯的六角晶格结构，且呈现出较好的均匀性和连续性。异质结的分布较为均匀，界面的质量良好。这表明通过CVD方法在石墨烯基底上成功生长了二硫化钼层，形成了二硫化钼—石墨烯异质结。

为了进一步分析样品的微观结构，我们采用透射电子显微镜（TEM）技术。通过TEM观察，确认了二硫化钼和石墨烯在异质结中的层级结构。观察到层级结构明显的二硫化钼层和石墨烯层，二者之间形成了清晰的界面。这进一步证实了异质结的形成，并且异质结的层级结构对于其性能具有重要影响。

3.2 晶体结构和振动特性分析

为了研究异质结的晶体结构和振动特性，我们进行了X射线衍射（XRD）和拉曼光谱分析。

通过X射线衍射分析，确定了样品的晶体结构。观察到的衍射峰与二硫化钼和石墨烯的特征峰相对应，表明样品中存在着二硫化钼和石墨烯的晶体结构。同时，通过衍射峰的位置和强度，可以进一步研究异质结中二硫化钼和石墨烯的晶格匹配情况，以及可能存在的应变效应。

拉曼光谱分析提供了样品的振动信息，用于研究其结构和性质。在拉曼光谱中，我们观察到了二硫化钼和石墨烯的特征峰。对于二硫化钼，主要的拉曼峰出现在300-400 cm^-1的范围内，对应于其A_1g和E_2g模式的振动。石墨烯的G带和2D带分别出现在约1580 cm^-1和约2700 cm^-1处。通过分析这些拉曼峰的位置、形状和强度，可以研究二硫化钼和石墨烯的结构特征，以及在异质结中的相互作用。

综合形貌、结构、晶体结构和振动特性的分析结果，可以得出以下结论：通过化学气相沉积方法成功制备了二硫化钼—石墨烯异质结，样品具有良好的形貌和结构特征。XRD分析确认了二硫化钼和石墨烯的晶体结构，并研究了其晶格匹配和应变效应。拉曼光谱分析揭示了二硫化钼和石墨烯的振动特性，并提供了异质结中二者的相互作用信息。这些结果对于进一步理解二硫化钼—石墨烯异质结的性质和潜在应用具有重要意义。

通过形貌和结构分析，我们确认了二硫化钼—石墨烯异质结的形成，并观察到其良好的界面质量和层级结构。这种形貌和结构特征对于异质结的电子输运和界面相互作用具有重要影响。

晶体结构分析结果表明，二硫化钼和石墨烯在异质结中保持了其各自的晶体结构，且二者之间存在着一定的晶格匹配。这对于异质结的稳定性和性能具有重要意义，并可以进一步调控二硫化钼和石墨烯的电子结构。

振动特性分析揭示了二硫化钼和石墨烯的结构信息以及在异质结中的相互作用。二硫化钼的特征峰表明其晶格振动模式，而石墨烯的特征峰反映了其层间振动和晶格结构。通过分析这些特征峰，可以进一步了解异质结中的应力分布、相互作用强度以及可能的局域效应。

形貌和结构分析以及晶体结构和振动特性分析结果表明，通过化学气相沉积方法制备的二硫化钼—石墨烯异质结具有良好的形貌和结构特征，并且二硫化钼和石墨烯之间存在着一定的晶格匹配和相互作用。这为进一步研究异质结的电子性质和应用潜力提供了基础，为二硫化钼—石墨烯异质结在电子器件和光电器件等领域的应用奠定了实验基础。

4.结论

二硫化钼—石墨烯异质结作为一种具有潜在应用价值的纳米材料体系，其形貌、结构和振动特性的研究对于揭示其基本性质、优化制备方法、拓展应用领域具有重要意义。未来的研究应该继续深入探索异质结的电子性质、界面相互作用和器件性能，并结合理论模拟和计算方法，为其在纳米电子器件和相关领域的应用开发提供更加可靠的理论和实验基础。

参考文献：

[1].顾杰,颜元凯,万茜.二硫化钼-石墨烯垂直异质结的制备与表征[J].半导体光电,2020,41(02):252-256+263.

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