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。

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。

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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