【摘 要】
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自石墨烯被发现以来二维材料的研究热度经久不衰,与石墨烯相似的二维材料相继被各领域研究者研发出来。其中石墨烯/二硫化钼异质结结合了石墨烯与二硫化钼的良好光电性能,有
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自石墨烯被发现以来二维材料的研究热度经久不衰,与石墨烯相似的二维材料相继被各领域研究者研发出来。其中石墨烯/二硫化钼异质结结合了石墨烯与二硫化钼的良好光电性能,有望在半导体领域成为替代传统硅的新兴材料。目前石墨烯/二硫化钼异质结在理论计算与制备上都处于研究的初期阶段,对于结构的探讨研究较少,光电特性仍处于不可控的阶段。本文基于第一性原理DFT理论,使用Materials Studio软件根据异质结的匹配规律及堆叠方式构建了九种石墨烯/二硫化钼异质结理论模型并分别对它们的界面形成能、电子结构、光学性质进行计算,探究九种理论模型的稳定性和不同结构对光电性能的影响。选取三种最稳定模型通过施加压力调整异质结层片间距,分析不同层间距对异质结电子结构的影响。在此基础上采用周期叠层、掺杂卤族元素的方式对石墨烯/二硫化钼异质结的光学性质进行改善。同时使用CVD方法对石墨烯薄膜以及石墨烯/二硫化钼异质结进行制备,研究不同工艺参数对样品层数及表面形貌的影响,通过SEM、拉曼检测手段对薄膜进行表征与分析。第一性原理计算结果表明在九种不同的石墨烯/二硫化钼异质结模型中,Mo原子对应下层石墨烯碳环形结构中心位置具有最好的稳定性,其能隙打开为13meV、光电转换效果最好。层间距的变化能有效的调控石墨烯/二硫化钼异质结的带隙,带隙打开范围在14meV到35meV之间。异质结随着周期性层数的增加能隙变小,介电常数强度随着层数增加而增强。卤族原元素掺杂能够改变石墨烯狄拉克点附近能带结构,提高该异质结对红外光的吸收作用。实验结果表明,通过CVD法可以初步实现石墨烯/二硫化钼薄膜材料的制备。对制备工艺探究的结果表明在温度为900℃、氢气与甲烷流量比为1:1时沉积石墨烯的层数最少,表面形貌最为均匀。二硫化钼制备时间为10min得到结晶程度良好的薄膜形貌。
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