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摘 要

类石墨烯过渡金属二硫族化物，例如MoS₂和WS₂，由于它们在可见光波长范围内的合适直接带隙，较高的载流子迁移率，出色的栅极耦合，柔韧性和出色的光电性能而备受关注。单层WS₂的制备方法多种多样，例如化学气相沉积（CVD）、机械剥离法和液相剥离法。然而，机械剥离法和液相剥离法所制得的单层WS₂的尺寸相对较小。CVD方法被认为是工业生产中最有前途的制备方法，因为它具有高度可重复性以及所制备的WS₂薄膜具有大尺寸和均匀厚度。本文在阅读大量文献的基础上，回顾了WS₂纳米薄膜化学气相沉积的研究进展及其在国内外各个领域的相关应用，探讨了WS₂薄膜化学气相沉积的生长机理及其影响因素，并介绍了WS₂薄膜场效应晶体管，太阳能电池和异质结。

关键词: WS₂薄膜，化学气象沉积法，场效应晶体管

Growth, Preparation and Photoelectric Properties of Single Layer WS₂

Abstract

Graphene-like transition metal chalcogenides, such as MoS₂ and WS₂, have attracted much attention due to their direct band gap, high carrier mobility, excellent gate coupling, flexibility and excellent photoelectric properties in the visible wavelength range. There are many methods to prepare WS₂, such as mechanical stripping and liquid phase stripping. However, the size of the single layer WS₂ is relatively small. Chemical meteorological deposition is considered to be the most promising method in industrial production because of its high repeatability and the large size and uniform thickness of WS₂ film. On the basis of reading a lot of literature, this paper reviews the research progress of WS₂ thin film chemical meteorological deposition and its application in various fields at home and abroad, discusses the growth mechanism and influencing factors of WS₂ thin film chemical meteorological deposition, and introduces WS₂ thin film field effect transistor, solar cell and heterojunction.

Keywords: WS₂ thin film; Chemical vapor deposition; Field effect transistor

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 简 介 1

1.1二维材料 1

1.2 WS₂的结构和性质 1

1.3单层WS₂的制备方法 2

1.3.1机械剥离方法 3

1.3.2液相剥离法 3

1.3.3化学气象沉积方法 3

1.4小结 3

第二章 化学气象沉积制备WS₂薄膜 5

2.1化学气象沉积方法分类 5

2.2化学气象沉积制备的WS₂的生长机理 7

2.3影响WS₂薄膜生长的因素 9

第三章WS₂薄膜的应用 13

3.1基于WS₂薄膜的场效应晶体管 13

3.2基于WS₂薄膜的光电探测器 14

3.3基于WS₂薄膜的太阳能电池 14

3.4基于WS₂薄膜的异质结 15

第四章 总结与展望 18

参考文献 19

致谢 22

第一章 简 介

1.1二维材料

在过去的几十年中，纳米科学作为前沿的跨学科新兴研究对象，已广泛应用于医疗，电子，能源，安全等许多领域，对人类的经济发展和技术产生了深远的影响。自从Novoselov ^[1]在2004年使用机械剥离法制备石墨烯以来，科学家对石墨烯进行了深入研究，发现石墨烯具有出色的电学，机械和光学性能。石墨烯是最早制备出的二维材料，具有高电导率和高载流子迁移率的特性，已广泛用于场效应晶体管，光伏电池，光电探测器，化学和生物传感器，能量存储设备，保护材料，选择性渗透膜，等^[2-4]。然而，由于其零带隙特性的限制，石墨烯晶体管的电流开关比相对较小，导致可调节范围较小，这限制了其在高性能，低功耗逻辑器件中的应用^[5]。为了改善该特性，需要使用纳米技术人工制造宽度为10nm的条带。这需要一系列复杂的掺杂^[6]。然而，这些复杂的掺杂工艺不仅难以操作，而且重复性低，并且造价相对昂贵。这也限制了石墨烯在电子领域的实际应用。因此，研究人员已开始寻找可以代替石墨烯的新材料。目前，以二维材料为代表的新型石墨烯样材料，例如二硫化钨（WS₂）和二硫化钼（MoS₂）这种过渡金属硫族化化物（TMDs）并引发了新的研究热潮。

在传统工业中，过渡金属硫属化物通常用作插层剂或干润滑剂，究其原因这些应用都是由其较弱的层间范德华力所导致的，因此常被忽略。如今，越来越多的人成功地从过渡金属硫族化物的块状晶体中剥离了这些材料的单层晶体，并发现这些二维材料具有非凡的性能，从而引发了新的一轮研究热潮。

当前制备单层WS₂膜的方法可以大致分为两大类，即自上而下和自下而上。自上而下的合成方法有机械剥离法，液相剥离法，插层剥离法等。自下而上包括气象合成法和溶液合成法。通过自上而下方法制备的大多数WS₂薄膜尺寸相对较小。本文将重点介绍制备单层WS₂薄膜的CVD方法，并介绍WS₂薄膜在各个领域的应用。

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