二維類石墨烯結(jié)構(gòu)的MoS2的制備及應(yīng)用

1、二維類石墨烯結(jié)構(gòu)的M0S2的制備及應(yīng)用1 .簡介石墨烯具有優(yōu)異的光電性能但該材料為零帶隙材料，缺少能帶隙，限制了其在光電器件等方面的應(yīng)用。過渡金屬二元化合物(MX2)不僅具有與石墨烯相似的層狀結(jié)構(gòu)，并且在潤滑、催化、光電器件等方面擁有獨(dú)特的性能，成為了國內(nèi)外研究熱點(diǎn)。二硫化鋁(MoS2)作為一種典型的過渡金屬二元化合物，具有類石墨烯結(jié)構(gòu)，層內(nèi)Mo與S原子之間構(gòu)成共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，單層MoS的厚度為0.65nm。類石墨烯MoS2具有一定的帶隙能(1.21.9eV)。止匕外，Mo和S為天然礦物，儲(chǔ)量豐富，價(jià)格低廉，增強(qiáng)了MoS2在光電器件方面應(yīng)用的可行性。.制備機(jī)械剝離法機(jī)械剝離法(mechanic

2、alexfoliation)屬于一種相對比較成熟的二維層狀材料制備方法，通過特制的黏性膠帶克服二硫化鋁分子問范德華力的作用實(shí)現(xiàn)剝離，最終得到減薄至少層甚至單層材料。雖然機(jī)械剝離法簡單易行，實(shí)現(xiàn)了二維層狀二硫化鋁高結(jié)晶度的單原子層厚度的剝離，但較差的可重復(fù)性導(dǎo)致其很難滿足大規(guī)模制備的需求。插層法鋰離子插層法是隨后發(fā)展起來的一種方法，通過添加諸如正丁基鋰的插層劑，劇烈反應(yīng)后增大二硫化鋁層間距離以減小范德華力作用，然后超聲處理，以得到少層至單層的二維層狀二硫化鋁，其優(yōu)勢在于所得二維層狀二硫化鋁質(zhì)量較好且剝離程度較高。鋰離子插層的方法盡管可以方便地獲得大量單層的二硫化鋁，但插層導(dǎo)致的物理相變會(huì)使二硫化

3、鋁的半導(dǎo)體性質(zhì)受到損失。Figure2.Electrochemicallithiationprocess146J(a)andhydrothermalprocesst48j(b)forthefabricationof2Dnanosheetsfromthelayeitdbulkmaterial,(c)Schematiciilustrationofatwo-stepprocessfromMoandpowderStosynthesisMoS2jMolayersaredepositedonsubstratebyE-beamevaporator50.(d)Schematicillustrationfbr由

4、心CVDexperimentalset-upofMcS2frompi>wderSandMnO、precursors,thethicknessoftheMoSjlayeris0.72nn】fromtheAFM53.(e)SchematicillustrationofthetwostepthermolysisprocessforthesynthesisofMoS；thinlayersoninsulatingsubstrates.Theprecursor(NHiMoS*wasdip-coatedonSiOj/Siorsapphiresubstratesfollowedbythetwostepa

5、nneahtigprocess.Theas-grownMoS2filmcanbeiransferredontootherarbitrarysubstrates14gLRatnatispectraofsingle-layerMoS2(f),bilayerMoS;(g)andquadrilay宣MoS2(h)afttrAr+phstnairradiationwithdifferenttitne(f,g±)reference72.化學(xué)氣相沉積法化學(xué)氣相沉積(CVD)法，即固態(tài)硫源和鋁源在高溫情況下升華為氣態(tài)的過程，通過改變保護(hù)氣體的比例，來控制納MoS2的結(jié)構(gòu)?；瘜W(xué)氣相沉積法其原理是在高溫

6、下實(shí)現(xiàn)Mo和S的固態(tài)前驅(qū)體的熱分解，將所釋放出的Mo和S原子沉積在選定基底上，從而生長成二維薄膜的方法。CVD法經(jīng)檢驗(yàn)被證明有利于制備大表面積、厚度可控且具備優(yōu)異電子性能的二維層狀二硫化鋁，是一種常見的“自下而上”的制備方法。近年來，隨著研究者們更為廣泛地開展了關(guān)于二維層狀二硫化鋁的研究工作，出現(xiàn)了越來越多的制備工藝和方法，但由于二硫化鋁材料結(jié)構(gòu)的高熱和化學(xué)穩(wěn)定性，其剝離成本較高，工藝復(fù)雜，制約了其發(fā)展，尚需進(jìn)一步研究。在圖2(c)中顯示了CVD法的兩步過程。在SiO2襯底上用電子束蒸發(fā)器沉積鋁層，然后將襯底放置在管式爐的中心，純硫被放置在同一石英管中的逆風(fēng)低溫區(qū)。石英管首先保持在高純度N2的

7、流動(dòng)保護(hù)氣氛中，經(jīng)過N2吹掃15分鐘后,爐內(nèi)溫度在30分鐘內(nèi)從室溫逐漸升高到500C,然后在90分鐘內(nèi)溫度從500c升高到750C,并保持不變。在750c冷卻10分鐘后，在120分鐘冷卻到室溫，MoS2層的厚度取決于預(yù)沉積的Mo的厚度。圖2(d)展示了使用MoO3和S粉末合成了大面積MoS2單層薄片的過程。用氧化石墨烯(RGO)、環(huán)氧丙烷-3、4、9、10四竣酸四鈉鹽(TPAS)或環(huán)氧內(nèi)烷、3,4,9,10四竣基二酊(PTCDA)對SiO2/Si襯底進(jìn)行涂覆，將MoO3粉末置于陶瓷容器中，預(yù)處理的SiO2/Si襯底正面放在容器的頂部。在MoO3粉末旁邊放置一個(gè)單獨(dú)的含硫粉末的陶瓷容器，可以將星

8、形MoS2合并成一個(gè)連續(xù)的MoS2薄膜，其橫向尺寸可達(dá)2毫米。圖2(e)是使用兩步熱分解法在絕緣襯底上合成出MoS2薄層的過程。前驅(qū)體(NH4)2MOS4在N2環(huán)境中在SiO2/Si或藍(lán)寶石襯底上浸漬，使(NH4)2MOS4在120360c轉(zhuǎn)換成為MoS3。MoS3至UMoS2的轉(zhuǎn)化需要在高于800c的溫度下進(jìn)行退火，并在H2氣體存在下將溫度進(jìn)一步降低到425Co生長的MoS2膜可以轉(zhuǎn)移到其他任意襯底上。液相超聲法液相超聲法(LiquidExfoliation)通常是將原始二硫化鋁粉末加在某類特定的有機(jī)溶劑甚至是水中，然后依靠超聲波振蕩的作用實(shí)現(xiàn)二硫化鋁層之間的剝離；超聲法操作簡便，易于實(shí)現(xiàn)大

9、量制備的要求，但剝離時(shí)間過長且剝離效率不高成為了其使用時(shí)的制約。等離子體法YuluLiu和同事成功地實(shí)現(xiàn)了Ar+等離子體對厚度的控制，克服了MoS2微機(jī)械剝落厚度不易控制的缺點(diǎn)。以該法制備的單層MOS2的拉曼峰在等離子體輻照后變?nèi)鹾妥儗挘?15s輻照后消失，雙層MoS2在115s輻照后變成單層，四層MoS2片成為三層，雙層，單層MoS2的時(shí)間分別是115s,230s,345s。（圖2（f、g、h）.復(fù)合和裝飾基于二維層狀二硫化鋁的復(fù)合材料是二維層狀二硫化鋁應(yīng)用領(lǐng)域中的重要研究方向，其在二次電池、傳感器、超級電容器電極、場效應(yīng)晶體管、有機(jī)發(fā)光二極管、電存儲(chǔ)器等領(lǐng)域展現(xiàn)出了優(yōu)良性能，有廣闊的應(yīng)用前

10、景。Figure3.(a)PhotographofMoS2-graphenehybridpaper,(b)Cross-sectionalSEMimage.(c)StructuraJschemeofapieceofflexibleandrobustMoS-r-GOhybridpaperchemicallycross-linkedbyPEO(a4),c)reference76J二維層狀二硫化鋁作為一種帶隙較寬的半導(dǎo)體材料在與聚合物結(jié)合后增強(qiáng)其力學(xué)性能的同時(shí)不會(huì)附加導(dǎo)電性。這樣的特性使得二維層狀二硫化鋁可以成為聚合物增強(qiáng)相石墨烯的替代材料。將無機(jī)材料（金屬納米材料、半導(dǎo)體和絕緣納米材料）分散在二維層

11、狀二硫化鋁表面可合成二維層狀二硫化鋁基無機(jī)納米復(fù)合材料。無機(jī)納米粒子可減小二維層狀二硫化鋁片層間的相互作用，而二維層狀二硫化鋁與特定納米粒子相結(jié)合，使該類復(fù)合材料在催化劑、光學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。4.1 4應(yīng)用場效應(yīng)晶體管(FET)由于MoS2的原子級的厚度、大的比表面積和價(jià)帶結(jié)構(gòu)等，基于MoS2的FET在傳感方面具有應(yīng)用潛力?；贛oS2的FET理論上開關(guān)比能夠達(dá)到108電子遷移率達(dá)到數(shù)百，這使得它在未來的電子器件中有著廣闊的應(yīng)用前景。光電晶體管當(dāng)二硫化鋁由體材料減薄至單層時(shí)，二硫化鋁由間接帶隙轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訋?，帶隙值?.29eV增大為1.9eV。二硫化鋁的帶隙變化和特殊的幾何結(jié)構(gòu)，使

12、得它在光電方面有獨(dú)特的性質(zhì)，從而在光電應(yīng)用方面有極大的潛力。氣體探測器石墨烯型二硫化鋁具有獨(dú)特的電子性質(zhì)，由于其具有較大的比表面積和二維層結(jié)構(gòu)，所以能夠吸收分子，這些優(yōu)點(diǎn)使其在氣體感應(yīng)器中具有廣闊的應(yīng)用前景。(a)(b)Figure5.(a)OpticalmicroscopeimageofanFETdevicebasedonthe2LMoS；film98.(b)Real-timecurrentresponseafterexposureofthe2LMoS2FETtoNOwithincreasedconcentraTion98J.數(shù)字邏輯晶體管一般來說，數(shù)字邏輯晶體管具有高的電荷載流子遷移率、高

13、的開/關(guān)比和高的導(dǎo)電率。從原理上講，MoS2獨(dú)特的帶隙結(jié)構(gòu)有助于減少短溝道效應(yīng)和功率耗散，更容易制造電路和復(fù)雜結(jié)構(gòu)。而且因?yàn)槠湓映叨群穸?，電子電路在不遠(yuǎn)的將來有望變得更小。隨著電子市場的發(fā)展，人們對產(chǎn)品的要求越來越高，電子產(chǎn)品也逐漸小型化，所以研究人員力求將多種器件集成在同一芯片上。單層二維半導(dǎo)體MoS2的集成電路，可以作為反相器，能夠?qū)⑦壿嫛?”變換到邏輯“0”，室溫環(huán)境下電壓增益大于1,故可用于數(shù)字電路中。雙層MoS2晶體管可用于制造集成電路，該品體管結(jié)構(gòu)表面具有多種特性，如電流飽和、高開關(guān)比。圖10單母的生成電路網(wǎng)和8）中以Mo生晶體管的生成電躇灼Fig.10（a）Integratedcircuitbasedonsingle-layerMoSg但and（b）integratedcircuitbasedonbilayerMoSgtTimsigtcrs"4生物傳感器目前為止，化療是癌癥臨床治療的主要方式，但常用的藥物其水溶性不足且細(xì)胞攝取率低的缺點(diǎn)使得治療效果不佳并且在治療過程中出現(xiàn)許多副作用。未來人們希望通過只能藥物定向輸送以實(shí)現(xiàn)提高療效的目標(biāo)。二維層狀二硫化鋁由于其較高的光量子產(chǎn)率和光致發(fā)光性能可以成為理想的感光藥物遞送載具。仿石墨烯結(jié)構(gòu)的MoS2是一種理想的酶載體，因?yàn)樗哂休^大的比表面積和二維層結(jié)構(gòu)，所以能夠吸收酶或蛋白質(zhì)分子，MoS2是電極表