过渡金属二硫族化物二维材料介电常数的测量毕业论文

2020-02-17 10:02

摘要

近年来，二维过渡金属二硫族化物由于相对优异的光电特性和半导体特性，受到了人们的广泛关注，有很多研究者转向了对二维过渡金属二硫族化物的研究，期待能够发现二维过渡金属二硫族化物更多不同的特性和应用。二维过渡金属二硫族化物已知的应用领域很是广泛，比如电子、能源、先进工程、自旋电子等等。

本文首先介绍了二维纳米材料和二维过渡金属二硫族化物的性质以及研究现状。然后，将光谱法、光波导法和椭偏法三种测量材料折射率的方法进行了分析和对比，在需要简单快速测量材料的复折射率或厚度时，选择椭圆偏振法比较适合。其次，对Material Studio的仿真原理和仿真流程进行了说明，对仿真结果进行了分析和总结，并将仿真结果和实验结果进行了对比分析，发现仿真结果与实验结果有些许区别，推测二维过渡金属二硫族化物的复折射率不仅与过渡金属二硫族化物本身有关，还和材料所处测量环境有关。最后对全文进行了总结，并描述了对于未来的展望。

本文的特色：列举了光谱法、光波导法和椭偏法三种测量材料折射率的方法，通过Material Studio仿真测量了过渡金属二硫族化物复折射率，将仿真结果和实验结果进行了对比，从折射率和带隙两个不同的方面进行了分析。

关键词：二维过渡金属二硫族化物；Material Studio仿真；复折射率

Abstract

In recent years, two-dimensional transition metal disulfide has attracted extensive attention due to its relatively excellent photoelectric and semiconductor properties. Many researchers have turned to the study of two-dimensional transition metal disulfide, expecting to discover more different characteristics and applications of two-dimensional transition metal disulfide. Two-dimensional transition metal disulfide is known to have a wide range of applications, such as electronics, energy, advanced engineering, spintronics and so on.

In this paper, the properties and research status of 2-d nanomaterials and 2-d transition metal disulfide are introduced. Then, three methods of measuring refractive index of materials, including spectral method, optical waveguide method and ellipsometry method, are analyzed and compared. Secondly, the Material Studio to illustrate the simulation principle and simulation process, the simulation results are analyzed and summarized, and the simulation results and experimental results are analyzed, found little difference between the simulation results with the experimental results, speculated that the two-dimensional disulfide family transition metal complex refractive index is not only related to the transition metal disulfide group compound itself, also related to Material measurement environment. Finally, the paper summarizes the whole paper and describes the prospect of the future.

The characteristics of this paper: three methods of measuring the refractive index of materials are listed, including spectral method, optical waveguide method and ellipsometry method. The complex refractive index of transition metal disulfide compounds is measured by Material Studio simulation.

Keywords: Two-dimensional transition metal disulfide; Material Studio simulation; The complex refractive index

第1章绪论 1

1.1 引言 1

1.2 二维纳米材料 1

1.2.1 二维纳米材料的介绍 1

1.2.2 二维纳米材料的研究现状 2

1.3 二维过渡金属二硫族化物 3

1.3.1 二维过渡金属二硫化物的介绍 3

1.3.2 制备二维过渡金属二硫族化物的方法 4

1.3.3 二维过渡金属二硫化物的性能及应用 5

1.3.3 二维过渡金属二硫化物的研究现状 6

1.4 研究内容及意义 7

第2章光学常数及测量方法 8

2.1 光学常数 8

2.2 测量方法 8

2.2.1 光谱法 8

2.2.2 光波导法 9

2.2.3 椭偏法 9

2.2.4 方法比较 11

第3章 Material Studio仿真方法 12

3.1 软件介绍 12

3.2 计算方法 12

3.3 设计流程 13

3.3.1 构建材料的分子几何结构 13

3.3.2 设置材料的计算参数并运行 15

3.3.3 分析输出仿真结果图 15

第4章仿真结果对比分析 16

4.1 仿真结果 16

4.2 仿真结果与实验结果对比 20

第5章结论与展望 22

参考文献 23

致谢 24

第1章绪论

1.1 引言

石墨烯拥有很高的强度优秀的电子结构和优秀的电传导性。石墨烯如此优异的性能使得研究者开始寻找与之相似的优秀材料，石墨烯最为明显的特点就是属于二维材料，这让人们开始注意到了二维材料独特的物理特性和化学特性。虽然石墨烯拥有如此多的优点，但是正如世界没有完美的人一般，石墨烯的零带隙代表了它在很多领域的应用受到限制，比如光电子器件和微电子器件，这让研究者迫切想要找到一种可以代替石墨烯的二维材料。

近年来，二维过渡金属二硫族化物由于其带隙可变性异军突起，成为了材料界的新秀，在电子、能源、先进工程材以及自旋电子学领域等领域得到广泛应用，这让很多研究者转向了对二维过渡金属二硫族化物的研究，期望能够发掘出二维过渡金属二硫族化物更多的性质。最开始的时候，是偶然间在1000℃硫化氢气体硫化粉末时得到了，经过分离之后对展开了研究，发现了与石墨烯相似的物理特性，自然而然的二维过渡金属二硫族化物进入了人们的视线，对二维过渡金属二硫族化物能够代替石墨烯成为新一代的优秀材料抱有很大期望。之后，又发现了无机富勒烯结构的化合物^[1]。这是一种地球上很富有的化合物，比起其它二维过渡金属二硫族化物来说，具有先天性的优势，这也让它在二维过渡金属二硫族化物中独占鳌角，关于的研究成果^[2]一件接着一件。禁带宽度的变化范围十分广泛，从体材料的1.2 eV到原子尺度单层的1.9 eV都是它的变化范围，这种性质使其可以适用于红外光谱和紫外光谱之间的广大光谱范围。二维过渡金属二硫族化物是一种层状结构的材料，层内部以拥有很强作用力的共价键和离子键相互连接，这使得单层材料表现出很强的强度和柔韧性，不会轻易断裂。层与层之间以较弱的范德华力相连，在掌握好作用力方向的情况下，可以很容易将过渡金属二硫族化物的层与层之间给分开来，这种特性使二维过渡金属二硫族化物可以被用作润滑剂来使用。而在层与层之间插入分子、原子或离子时也不会破坏层内部的连接结构，这使得在需求材料具有强化学稳定性时，可以考虑使用二维过渡金属二硫族化物。

1.2 二维纳米材料

1.2.1 二维纳米材料的介绍

二维纳米材料是一种层状结构的材料，层内部以拥有很强作用力的共价键和离子键相互连接，单层材料^[3]表现出很强的强度和柔韧性，不会轻易断裂，层与层之间以相对较弱的范德华力相连。相同体积下，二维纳米材料的表面积要比体材料的表面积大，这种极大的表面积/体积比让二维纳米材料拥有了不一般的优秀性质。现在，二维纳米材料^[4]中应用比较广泛的有石墨烯、拓扑绝缘体、过渡金属硫族化合物以及黑磷。

石墨烯是一种单质材料，和金刚石和木炭具有一样的元素组成，只是碳原子的连接结构不同。金刚石中的碳原子以晶格结构相互连接，所以极度的坚硬；木炭中的碳原子之间存在着各种无规律的晶格、单层和不规则的连接结构，使木炭变得十分松软，容易被破坏；石墨烯中的碳原子以层状结构相互连接，层内连接作用力很强，层之间的连接较弱，单层石墨烯强度很高，不易弯折，结构十分稳定。石墨烯由于其优秀的性质被广泛应用于各个领域之中，比如超轻防弹衣，微电子，电极材料助剂。

过渡金属二硫族化物是一种层状结构的材料，层内部以拥有很强作用力的共价键和离子键相互连接，层之间以较弱的范德华力相连，可以很容易被剥离成薄膜。二维过渡金属二硫族化物的性质与石墨烯有着很大的相似性，因此也被人们称作“类石墨烯”。不同于石墨烯的是，过渡金属硫族化合物拥有带隙随层数变化的特性，使其可以适用于红外光谱和紫外光谱之间的广大光谱范围。二维过渡金属二硫族化物可以通过和不同种类的材料复合，制造出拥有特殊功能的复合纳米材料，这使得二维过渡金属二硫族化物的应用变得更加广泛。

如今，二维纳米材料已经成为了材料学的一个极其重要的分支，不论什么种类的材料一旦被制造成二维纳米材料，都会拥有不同于体材料的性质^[5]，可以说二维纳米材料的前景非常广泛，更多的优秀二维纳米材料在等待着我们的发现。

1.2.2 二维纳米材料的研究现状

2017年12月13日，宁波材料所海洋新材料与应用技术重点实验室崔明君通过可溶性导电聚合物剥离h-BN粉末得到了二维的h-BN纳米片，与环氧涂层结合制造出了低吸水率和高阻抗模量的复合涂层，这种复合涂层可以保护金属免受腐蚀。

2017年12月14日，中国科学院重庆绿色智能技术研究院量子信息技术中心首次制备出了大于100微米的GeSe单层材料，并对其能带结构进行了拉曼谱、荧光谱方面的研究，使用第一性原理对其正确性进行了证明。最终制造出来了对应体材料的3.3倍灵敏度的晶体管。

2017年12月22日，中国科学院深圳先进技术研究院喻学锋制备出了黑磷/磷化钴面内异质结，这是一种具有优秀电催化活性的结构，可以通过控制钴原子选择性沉积在黑磷的不饱和位点上。

2018年1月9日，北京凝聚态物理国家研究中心高鸿钧院士、杜世萱、黄立等人通过第一性原理、扫描隧道显微学、分子束外延等理论观察了硅烯在Ru基底上的生长情况，发现了一种新的硅二维结构。并对首次在Cu基底上制备出的双层锗烯进行了结构特性研究。

2018年1月15日，清华大学物理系徐勇助理教授、薛其坤教授和张定助理教授首次发现了只有两个原子厚度的灰锡烯的二维导电性和拓扑非平庸物性。导电性的出现，主要是由于衬底厚度对灰锡烯的影响，随着衬底厚度的改变，灰锡烯可以在双带超导体和单带超导体之间变化。更是发现，外延生长的锡烯薄膜具有超强的稳定性，可以长久的保持它的超导性质。

2018年2月1日，俄罗斯斯科尔科沃科技学院与芬兰阿尔托大学的研究者共同发明出柔性超级电容器，其电极之间的绝缘层材料使用氮化硼纳米管，塑性良好，强度很高，拥有很好的绝缘功能，电极材料使用用单层碳纳米管，化学性质稳定，导电性良好，单层碳纳米管的孔隙结构使得其拥有很大的比表面积，提高了电容量。

2018年2月8日，北京大学新材料学院利用新发明的Wannier Koopmans Method 方法测量得到了二维材料准确的带隙。

2018年3月3日，阿肯色大学研究人员研究了黑磷的光学性质，黑磷是一种由单层磷原子组成的材料，可以运用在红外线的交互作用和探测上。通过对不同宽度的纳米带的制备，加深了对此材料等离子体性质的了解，从黑磷周围介质的调谐参数和纳米带宽度可以看出它在红外光领域广泛的前景。

1.3 二维过渡金属二硫族化物

1.3.1 二维过渡金属二硫化物的介绍

石墨烯具有优秀的光电特性，所以在光电领域具有着广泛的应用，但是石墨烯的零带隙特点让它在微电子器件和集成电路^[6]领域受到很大限制，这让研究者迫切希望能够找到能代替石墨烯的新材料。

1.3.2 制备二维过渡金属二硫族化物的方法

1.物理法

在二维过渡金属二硫族化物中，有很多是天然存在的，可以通过切割，粉碎等方法获得所需材料，且不会破坏材料的物理性质和物质结构。比如溅射法，剥离法等。

剥离法即是通过物理手段将过渡金属二硫族化物剥离为薄膜，这是因为过渡金属二硫族化物是一种层状结构的材料，层与层之间的连接很弱，可以很容易将其分开。

溅射法即是将过渡金属二硫族化物喷涂到某一个平滑的表面上，待到薄膜形成，就将其揭下来，这样就得到过渡金属二硫族化物的二维材料了。例如使用乙腈和氯仿的混合溶剂液制备得到层状。

物理法具有原理简单，不破坏材料的物理结构和性质的优点，但是其操作设备十分昂贵，这让物理法的成本变得比较高。

2.水热法

不同物质的溶点不同，我们可以利用这种理论来制造二维过渡金属二硫族化物，首先，将混合固体溶解在高温高压的封闭液态溶剂中，然后，通过控制温度和压强使过渡金属二硫族化物结晶出来，这时可以放入薄板，让过渡金属二硫族化物以薄板为中心结晶，这样就可以制造出二维过渡金属二硫族化物了。例如通过水热法可以使用硫粉和六羰基钼制备得到纳米片。通过水热法可以使用和硫脲制备得到纳米花。

水热法拥有可重复性好，容易合成等优点，但是耗费的时间比较长，结晶效果差。

3.化学气相沉积法

化学气相沉积法是一种化学制备二维过渡金属二硫族化物的方法，将气态的反应物注入到装有固体反应物的反应腔中，经过化学反应可以生成过渡金属二硫族化物，然后冷却之后可以得到二维过渡金属二硫族化物。例如，通过与气体的反应得到，作为还原性气体，作为氧化性物质。由于这种气态与固态的反应只能在固体的表面发生，所以反应物之间要有足够的接触面积，这样才能使反应变得充分。或者以和气态硫为反应物在高纯惰性气体的石英管中制备纳米，惰性气体可以隔绝外界气体对反应的影响。