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摘 要

MoS₂因具有非零的可调带隙（1.2~1.8 eV)及优异的光电特性，成为继石墨烯发现后备受关注的二维晶体材料之一，并在电子输运器件、光电子器件、电极材料和集成电路等方面具有广泛的应用前景。本论文采用脉冲激光沉积（PLD）技术在氩气环境中生长了系列MoS₂导电薄膜，并利用XRD、AFM、光学显微镜、拉曼光谱、四探针等技术系统地研究了主要工艺条件（温度、压强）对薄膜的结构、形貌和电学输运性质的影响。为进一步研究大规模集成电路、电子输运器件等提供科学和技术参考。

关键词：MoS₂薄膜 脉冲激光沉积 电阻率

ABSTRACT

Due to its non-zero adjustable bandgap (1.2~1.8 eV) and excellent photoelectric characteristics, MoS₂ has become one of the most important two-dimensional crystal materials following the discovery of graphene. It has wide application prospects in electronic transport devices, optoelectronic devices, electrode materials and integrated circuits. In this thesis, pulsed laser deposition (PLD) technology was used to grow a series of MoS₂ conductive thin films in argon atmosphere. The effects of main process conditions (temperature, pressure) on the structure, morphology and electrical transport properties of the films were systematically studied by using XRD, AFM, optical microscope, Raman spectroscopy and four probe techniques.To provide scientific and technical reference for further research on large-scale integrated circuits and electronic transport devices.
Keywords: MoS₂ thin film ；pulsed laser deposition ；resistivity

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 MoS₂的基本介绍 1

1.2.1 MoS₂的结构与性质 2

1.2.2 MoS₂薄膜的制备方法 3

1.2.3 MoS₂薄膜的研究进展 4

1.3 本论文主要研究内容 5

第二章 样品的制备与表征 7

2.1 实验设备及原理 7

2.2.1基片的安装 7

2.2.2抽真空 8

2.2.3调节基片温度 8

2.2.4腔室内真空度的调节 8

2.2.5激光器的调节及使用 8

2.2.6镀膜结束，关闭PLD系统 9

2.2 MoS₂薄膜的表征 9

2.2.1 X射线衍射方法 9

2.2.2原子力显微镜 10

2.2.3拉曼光谱分析 11

2.2.4四探针法测试 11

第三章 MoS₂薄膜结构形貌分析 12

3.1生长温度对MoS₂薄膜结构形貌的影响 12

3.1.1生长温度对二硫化钼薄膜结构的影响 12

3.1.2生长温度对二硫化钼薄膜形貌的影响 13

3.2压强对MoS₂薄膜结构形貌的影响 14

第四章 MoS₂薄膜性能研究 16

4.1MoS₂薄膜电学性能研究 16

4.1.1生长温度对硫化钼薄膜电学性能的影响 16

4.1.2压强对硫化钼薄膜电学性能的影响 17

第五章 全文总结 18

参考文献 19

致谢 22

第一章 绪论

1.1 引言

只有单原子层或含有少数原子层厚度的晶体材料，常被称为二维原子晶体材料。它的概念可以追朔到19世纪初。很长一段时间，物理学界普遍认为因热力学不稳定的性质使得二维单原子层材料难以稳定存在。这一观念的扭转始于2004年，Novoselov和Geim^[1]等人运用透明胶带，对石墨施行简略的多次的机械剥离，并第一次制备出了稳固且高质量的石墨烯，从而大大促进了二维材料的研究进展，同时2010年诺奖也被他们两人收入囊中。

石墨烯因为它的结构和杂化形式而使它拥有了很多的优良性质。具备很好的光、电和力学性能，^[2]在材料学、微纳米加工技术、动力层面、生物医学应用和药物传递等方面都存在着远大的使用前景。然而，虽然它拥有特殊的性质和多样的物理基础，但因为缺少电子能带隙和大面积生长石墨烯的困难^[3]，人们开始探求新的二维材料，如TMDs，诸如MoS₂、MoSe₂、WS₂和WSe₂这些层状过渡金属硫化物。^[4]二维过渡金属硫化物的能带构造随其层数的由多层变向单层而变动，从间接带隙转变成直接带隙，^[5]并产生谷间自旋耦合。二维过渡金属硫化物可以和很多其他二维材料组合使用，能够制备多种异质结，而且少有晶格失配的景象呈现。其中MoS₂表现最为突出，研究范畴最广。因为它有着特殊的可调节的带隙（1.2~1.8 eV)及很好的光电性能，使MoS₂成为现下二维材料研究范畴中新的热点。^[6]

1.2 MoS₂的基本介绍

二硫化钼，作为TMDs中最具代表性的材料，高比表面积、光敏特性、快速率响应是其作为二维结构材料所具备的优点，^[7]层状结构和可控的电子性质，使二硫化钼在光电子器件、异质结材料、润滑和储能、催化等范畴都存在不可替代的作用。在石墨烯带隙为零的情况下，二硫化钼天然可调控的带隙结构显得格外引人注目，因此硫化钼相较于石墨烯，在光电子研究范围内有着更加广阔的前景。^[8]

1.2.1 MoS₂的结构与性质

弱相互作用层垂直堆叠，层间在范德华力作用下相结合构成MoS₂晶体（图1）。^[9]结构和石墨烯的类似，二维层状MoS₂的结构是六方晶系，三层原子层结合在一起组成了MoS₂单层，通过共价键的形式，Mo、S原子结合成S-Mo-S结构。硫原子层位于模型的上下两层，钼原子层是中间的那一层，用“三明治夹层”模型刚好可以形容它的结构。在强的共价键作用下，层内Mo-S、Mo-Mo原子相互结合在一起；在很小的范德华力影响下，层间S-S原子结合在一起。由图可以看到，1个硫附近存在着3个紧邻的钼原子，1个钼附近存在着6个紧邻的硫原子。三斜、斜方对称和八面体配位四方晶系，是MoS₂现有的类型。这是因为硫、钼原子不同的相对位置形成的。 ^{[10] [11]}

图1：MoS₂结构的三维表示 图2：三种晶体类型的MoS₂

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