论文总字数：24409字

摘 要

近年来，二维纳米材料由于具有二维结构、超薄形貌和许多优异性能，而受到众多研究者的关注。在这些二维纳米材料中，过渡金属硫化物同样表现出诸多独特的化学性质、物理性质和电学性能，并且在电子传感、电催化、锂电池等领域具有巨大的应用前景，有望被广泛应用于下一代电子传感器件。然而，目前基于过渡金属硫化物的传感器，其检测线和灵敏度受到了材料导电性差的限制，因此性能较差。虽然通过高温可以提高金属氧化物导电性，但是这类方法对过渡金属硫化物导电性的提升非常有限。

本课题中，我们尝试将导电性差的材料与导电性好的材料进行复合，制成导电性良好的杂化材料。首先通过一步水热法我们合成了SnS₂纳米片，该纳米片呈现六边形，尺寸大约为200-500 nm，进一步通过半导体性能表征发现其符合n型半导体特征。在此基础上我们加入W源，从而合成Sn_1-xW_xS₂/SnS₂杂化材料。实验发现Sn_1-xW_xS₂纳米片包裹在SnS₂纳米片上，杂化材料的尺寸大约为500-800 nm，进一步通过半导体性能表征发现Sn_1-xW_xS₂纳米片表现出金属性。正是由于金属性的Sn_1-xW_xS₂纳米片的加入极大改善了SnS₂的导电性，并得到导电性能良好的Sn_1-xW_xS₂/SnS₂杂化材料。该材料将进一步应用于气体传感器领域。

关键词：二维纳米材料 SnS₂纳米片 Sn_1-xW_xS₂/SnS₂纳米片 杂化材料

Abstract

Two-dimensional materials have received tremendous attention because of their unique two-dimensional structure, ultra-thin morphologies and thus-accompanied intriguing properties. Transition metal dichalcogenides nanosheets are promising as a sensing material for next-generation sensors because of the special chemical, physical and electrical properties. However, the sensing ability of the chemiresistive gas sensor based on transition metal dichalcogenides is limited for the poor electric conductivity. Rising the temperature can help improve the electric conductivity of metal oxide, but this method cannot arrive obvious promotion in transition metal dichalcogenides.

In this work, we synthesize Sn_1-xW_xS₂/SnS₂ hybrid material，and Sn_1-xW_xS₂ nanosheets show the properties of the metal. We fabricate an ohmic contact between semiconducting hexagonal SnS₂ nanosheets and distorted octahedral Sn_1-xW_xS₂ nanosheets, and Sn_1-xW_xS₂/SnS₂ hybrid material possesses good electric conductivity.

Key words: 2D nanomaterials; SnS₂ nanoplates; Sn_1-xW_xS₂/SnS₂nanosheets; hybrid nanomaterials

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 文献综述 1

1.1 二维材料 1

1.1.1 研究背景 1

1.1.2 过渡金属硫化物 1

1.1.3 基于二维纳米材料的气体传感器 2

1.2 杂化材料 4

1.2.1 研究背景 4

1.2.2 异质结构形成方法 5

1.3 本论文设计思想 7

第二章 SnS₂和Sn_1-xW_xS₂/SnS₂的合成与表征方法 8

2.1 引言 8

2.2 实验材料与化学试剂 8

2.3 实验仪器 9

2.4 材料合成 9

2.4.1 SnS₂纳米片的制备 9

2.4.2 Sn_1-xW_xS₂/SnS₂杂化纳米材料的制备 9

2.5 SnS₂和Sn_1-xW_xS₂/SnS₂纳米片的表征方法 10

2.5.1 扫描电子显微镜 10

2.5.2 透射电子显微镜 10

2.5.3 X射线衍射 10

2.5.4 拉曼光谱 10

2.5.5 半导体性能表征 10

2.5.6 导电性测试 11

第三章 SnS₂和Sn_1-xW_xS₂/SnS₂的表征 12

3.1 SnS₂纳米片的表征 12

3.2 Sn_1-xW_xS₂/SnS₂纳米片的表征 14

第四章 结论与展望 19

4.1 结论 19

4.2 展望 19

第五章 参考文献 20

致谢 25

第一章 文献综述

1.1 二维材料

1.1.1 研究背景

自2004年曼切斯特大学的Geim小组成功分离出单层石墨烯以来^[1]，石墨烯及其衍生物这类具有超高的室温载流子迁移率^[1]、量子霍尔效应、超高比表面积、高杨氏模量、优异的光学透明度和电气特性以及热导率^[2]等特性的二维纳米材料引起了研究者的极大兴趣。随后，研究者做了大量工作来探究其性质并且拓展它的应用领域。随着对石墨烯材料研究的深入，结构特征与石墨烯相似但组分不同的类石墨烯材料也得到了越来越多的关注，这使二维纳米材料有了进一步的发展。

通过之前大量的研究，目前二维纳米材料的主要特点有：（1）由于原子级厚度，电子仅能够在两个非纳米尺度方向上进行自由运动，使其具有独特的电子性质，便于进行如凝聚态物理学等基础研究^[3]；（2）平面分子间的共价键使其具有优异的机械强度，同时原子级的厚度使其具有很强的柔韧性和光学透明度，在柔性透明器件领域展现出巨大潜力；（3）表面效应使其具有超大的比表面积，这在如催化剂、气体传感器等表面相关的应用领域颇具优势^[4]；（4）优秀的成膜能力使其可以通过旋涂、滴涂、喷涂和喷墨印刷等简单方法得到高质量的独立薄膜^[5]，而通过控制二维纳米片的浓度或纳米片悬浮液的体积也可以轻易地调节薄膜的厚度，使规模化生产二维纳米材料薄膜器件成为可能；（5）高暴露的表面原子使其易于通过如元素掺杂、缺陷、相态转变和表面改性等方法^{[6, 7]}对材料的功能或性能进行改变。

1.1.2 过渡金属硫化物

通用化学式为MX₂的过渡金属硫化物是一种二维层状化合物，其中M代表过渡金属元素，X代表硫族元素（如S, Se或Te）。在过渡金属硫化物的层状结构中，单层的过渡金属硫化物由三个原子层组成：两层硫族原子层以及夹在硫族原子层之间的过渡金属原子层。同时过渡金属硫化物层与层之间则通过范德华力堆叠在一起。而片层状材料SnS₂具有与过渡金属硫化物类似的结构：锡原子层夹在两层六边形的硫原子层之间。这种类似的结构使SnS₂的电学性质与过渡金属硫化物非常接近，因此SnS₂被认为是一种类过渡金属硫化物材料。

请支付后下载全文，论文总字数：24409字