二硫化钨的特性

在过渡金属二硫化物(TMDs)家族中,二硫化钨(WS2)因其半导体特性而具有独特的带状结构;即其宽带光谱响应特性、超快的漂白恢复时间和出色的可饱和光吸收而受到越来越多的关注。

由于量子约束和层间相互作用的影响,当WS2的厚度减少到单层时,将发生间接带隙到直接带隙的转变。一般来说,随着WS2厚度的变化,K点处的直接带隙是恒定的。这是因为在K点相应的价带和导带状态只与过渡金属状态有关,不受层间相互作用的影响。

通过磁控溅射制备的WS2-CF涂层的沉积室示意图

然而,当WS2的厚度从两层变为一层时,从Γ到K的间接带隙要比直接带隙大。这是因为Γ处的价带状态与金属的d2z轨道和硫基元素的PZ轨道有关。对于单层 WS2 来说,相邻层的卤化物元素的 PZ 轨道之间没有库仑斥力,导致 Γ的价带态稳定,从而引起间接到直接的间隙转换。

目前,有多种合成方法来生产WS2。这些方法可分为物理、化学和剥离方法。物理方法包括脉冲磁控溅射和脉冲激光沉积(PLD)。磁控溅射生长方法需要使用带电粒子在真空条件下轰击目标表面,使目标发生溅射。在这种方法中,中性目标原子或分子被沉积在基底上,形成薄膜。通常情况下,惰性气体在低压环境下被辉光放电,以产生入射离子。

对于二硫化钨的沉积,由WS2制成的阴极靶材在1-3kV DC的高负阴极电压或13.56MHz的射频电压下进行溅射。此外,0.1-10帕的氩气被通入真空室以产生辉光放电。在电场的作用下,氩离子被加速冲向WS2靶材,并以高能量轰击靶材表面,从而去除沉积在基材上的靶材小颗粒,形成WS2薄膜。

为了改善WS2涂层的附着力,Rodrigues等人在Si基底上沉积了厚度约为400纳米的Cr中间层,然后沉积了WS2-CF涂层。这种方法的重要优点是设备简单,基材的操作温度低,涂层面积大,能够产生致密和良好的附着膜。与磁控溅射相比,用于PLD的设备很复杂,其操作原理也相对复杂。当高能脉冲激光器撞击固体WS2靶材时,将产生一个具有足够高的能量通量和短脉冲宽度的激光脉冲,靶材将暴露在这个脉冲下。

二硫化钨的特性

入射的激光能量被靶材吸收,导致温度迅速上升,使部分靶材蒸发,形成局部高温和高密度的等离子体。根据气体动力学定律,发射的等离子体烟羽优先向衬底移动,从而形成WS2薄膜。2018年,Tian等人利用PLD技术在蓝宝石衬底上生长可控的WS2薄膜层。

他们发现,二维WS2薄膜的厚度可以通过控制入射脉冲的数量来精确控制(成功制备了单层和多层薄膜)。使用PLD生长WS2薄膜的沉积室的这种方法最显著的优点是可以控制薄膜的厚度。薄膜均匀,质量好,但它的缺点是成本高,操作复杂。

文章来源:Ding J, Feng A, Li X等, 二硫化钨的特性、制备和应用 - 综述 [J]. 应用物理学, 2021, 54(17): 173002.

 

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