二硒化钼薄膜材料的制备及性能研究

发布时间：2020-03-23 05:52

【摘要】：过渡金属硫化物二硒化钼具有层状可调的宽带隙半导体相(2H,1.55 eV)和零带隙金属相(1T,0 eV)结构,因而在半导体电子器件、光电转换器件、催化和储能等领域具有广泛的应用前景,逐渐成为材料领域研究的热点。但如何制备大面积、均匀、连续的二硒化钼薄膜仍是当前研究的难点,而这也极大限制了其在工业领域的大规模应用。同时,二硒化钼具有三种不同的晶体结构,如何控制生长条件制备得到单一的相结构和优异的半导体特性也是当前研究的重点。因此,一种简单、高效的制备方法将促进二硒化钼薄膜在各领域的广泛运用。本论文针对这些问题,探究了两种直接硒化制备二硒化钼薄膜的方法。硒化钼金属薄膜技术制备MoSe_2薄膜:实验先通过电子束蒸发技术制备了钼金属薄膜,然后采用热蒸镀Se粉对预沉积的钼金属薄膜进行硒化反应得到二硒化钼薄膜。实验探究了硒蒸发源温度、衬底生长温度和生长时间参数对二硒化钼薄膜相结构、化学计量比的影响规律,优化出了制备纯2H相MoSe_2的工艺参数。为了进一步验证硒化钼金属薄膜技术制备的2H相MoSe_2薄膜的半导体特性,采用2H相MoSe_2薄膜为有源层,磁控溅射镀100nm厚Ti薄膜为电极,在热氧化SiO_2衬底上制备了底栅顶接触结构的薄膜晶体管器件。输出和转移曲线测试结果表明MoSe_2沟道层电导与栅极电压有强烈的关联可控性,证实了硒化钼金属薄膜技术制备的2H相MoSe_2薄膜具有优良的半导体特性。低温硒化氧化钼薄膜技术制备MoSe_2薄膜:由于以钼薄膜作为前驱体制备二硒化钼材料的方法需要较高的生长温度,论文探究了一种低温制备二硒化钼薄膜的方法。MoO_3与Se在合适的温度下可以发生硒化反应生成高纯MoSe_2,副反应产物SeO_2为易挥发性气体随系统尾气排出。论文先采用Mo金属薄膜退火氧化技术制备出了层状结构的α-MoO_3薄膜,之后对α-MoO_3薄膜进行硒化反应,在500℃的较低温度下制备得到了高质量的二硒化钼薄膜。拉曼光谱、X射线光电子能谱和透射电镜的综合分析结果证实了硒化MoO_3薄膜技术制备得到的MoSe_2薄膜材料具有高纯度的单一2H相。
【图文】：

过渡金属硫化物,半导体特性,硒化

图 1.1 过渡金属硫化物的半导体特性[10]二硒化钼作为一种典型的层状材料，每层中的原子通过强烈的共价键相连接，而层间依靠较弱的范德瓦耳斯力进行结合。这种特殊的层状结构，使得二硒化钼能够通过从块体材料中剥离得到性能良好的二维层状材料。同时，当二硒化钼由块体材料逐渐剥离为单层薄膜时，其电子带隙会由间接带隙变为直接带隙，，同时还伴随着带隙宽度的增加（1.1eV-1.55eV）[15]。这种转变会显著提高光电转化效率，因此单层二硒化钼可以制备成为高效率的光电器件。1.2 二硒化钼的结构作为过渡金属硫化物的一种，二硒化钼晶体有着类似于石墨烯的层状结构，从而在性能方面表现为各向异性。二硒化钼材料每层厚度约为 0.8nm，单层二硒化钼有着类似于“三明治”的结构，一层钼原子夹在两层硒原子之间[16]。层内的钼原子与硒原子之间以共价键的形式相连接，而层与层之间由较弱的范德瓦

过渡金属硫化物,结构示意图,单层,限制效应

图 1.2 过渡金属硫化物的结构示意图[17]当 MoSe2由块体材料剥离为单层时，带隙结构会从间接带隙转换为直接带隙。这是由于材料由多层变为单层时，MoSe2薄膜的层间耦合作用消失，对称性也发生了改变，同时量子的限制效应逐渐凸显。
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ136.12;TB383.2

【参考文献】