二硫化鎢的特性

在過渡金屬二硫化物（TMDs）家族中，二硫化鎢（WS²）因其半導體特性而具有獨特的帶狀結構；即其寬頻光譜回應特性、超快的漂白恢復時間和出色的可飽和光吸收而受到越來越多的關注。

由於量子約束和層間相互作用的影響，當WS₂的厚度減少到單層時，將發生間接帶隙到直接帶隙的轉變。一般來說，隨著WS₂厚度的變化，K點處的直接帶隙是恒定的。這是因為在K點相應的價帶和導帶狀態只與過渡金屬狀態有關，不受層間相互作用的影響。

然而，當WS2的厚度從兩層變為一層時，從Γ到K的間接帶隙要比直接帶隙大。這是因為Γ處的價帶狀態與金屬的d2z軌道和硫基元素的PZ軌道有關。對於單層 WS₂ 來說，相鄰層的鹵化物元素的 PZ 軌道之間沒有庫侖斥力，導致 Γ的價帶態穩定，從而引起間接到直接的間隙轉換。

目前，有多種合成方法來生產WS₂。這些方法可分為物理、化學和剝離方法。物理方法包括脈衝磁控濺射和脈衝鐳射沉積（PLD）。磁控濺射生長方法需要使用帶電粒子在真空條件下轟擊目標表面，使目標發生濺射。在這種方法中，中性目標原子或分子被沉積在基底上，形成薄膜。通常情況下，惰性氣體在低壓環境下被輝光放電，以產生入射離子。

對於二硫化鎢的沉積，由WS₂製成的陰極靶材在1-3kV DC的高負陰極電壓或13.56MHz的射頻電壓下進行濺射。此外，0.1-10帕的氬氣被通入真空室以產生輝光放電。在電場的作用下，氬離子被加速沖向WS₂靶材，並以高能量轟擊靶材表面，從而去除沉積在基材上的靶材小顆粒，形成WS₂薄膜。

為了改善WS₂塗層的附著力，Rodrigues等人在Si基底上沉積了厚度約為400納米的Cr中間層，然後沉積了WS₂-CF塗層。這種方法的重要優點是設備簡單，基材的操作溫度低，塗層面積大，能夠產生緻密和良好的附著膜。與磁控濺射相比，用於PLD的設備很複雜，其操作原理也相對複雜。當高能脈衝雷射器撞擊固體WS₂靶材時，將產生一個具有足夠高的能量通量和短脈衝寬度的雷射脈衝，靶材將暴露在這個脈衝下。

入射的鐳射能量被靶材吸收，導致溫度迅速上升，使部分靶材蒸發，形成局部高溫和高密度的等離子體。根據氣體動力學定律，發射的等離子體煙羽優先向襯底移動，從而形成WS₂薄膜。2018年，Tian等人利用PLD技術在藍寶石襯底上生長可控的WS₂薄膜層。

他們發現，二維WS2薄膜的厚度可以通過控制入射脈衝的數量來精確控制（成功製備了單層和多層薄膜）。使用PLD生長WS₂薄膜的沉積室的這種方法最顯著的優點是可以控制薄膜的厚度。薄膜均勻，品質好，但它的缺點是成本高，操作複雜。

文章來源：Ding J, Feng A, Li X等， 二硫化鎢的特性、製備和應用 - 綜述 [J]. 應用物理學, 2021, 54(17): 173002.

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