首页 > 论文范文 > 工程工业论文 > 工业综合论文 > 化工工业论文 > 试述2DWS2的主要制备方法及其应用研究前景

试述2DWS2的主要制备方法及其应用研究前景

2020-09-19 505 上传者：管理员

摘要：过渡金属硫化物作为一种带隙可调的类石墨烯材料，近年来受到众多科研工作者的青睐。2DWS2作为具有代表性的过渡金属硫化物材料之一，在电子器件领域因其独特的电子结构和晶体结构而极富应用潜力。本文综述了2DWS2的几种主要制备方法，以及近年来其在场效应晶体管、光电探测器、气敏传感器等电子器件领域方面的应用研究进展，并对2DWS2的未来发展前景进行了展望。

关键词：
二硫化钨
二维材料
制备方法
化工工业
应用
无机化工
加入收藏

在过去的十几年里，二维材料凭借其独特的物理、化学特性成为了国际研究的热点[1,2,3,4,5]。到现在为止，二维材料已是一个拥有石墨烯、六方氮化硼、过渡金属硫化物、黑磷等数十个成员的“大家庭”[1,3,6,7,8]。其中，类石墨烯TMDs二维材料因具有1～2eV的可调节带隙、出色的光学和电学性能而在电子、半导体等领域崭露头角[9,10,11,12]。二硫化钨二维材料作为具有代表性的TMDs材料之一，以其独特的电子结构和晶体结构而被广泛应用在电子器件领域中[13,14,15]。随着对2DWS2研究的不断深入，人们也开发出了许多制备2DWS2的方法。本文综述了2DWS2的几种主要制备方法，以及近年来其在场效应晶体管、光电探测器、气敏传感器等电子器件领域的应用研究进展，并对2DWS2的未来发展前景进行了展望。

1、二硫化钨二维材料的制备方法

1.1液相剥离法

液相剥离法是一种较为简单的制备单层二维材料的方法。其基本原理是将体材料置于合适的溶剂当中，通过超声处理使溶剂进入体材料中将其层层剥离，剥离得到的单层二维材料将稳定地分散在溶剂当中。随着研究的深入，越来越多价格低廉、绿色环保的分散剂被发现并用于制备单层二维材料。

AdamG.Kelly等[16]以爱尔兰威士忌作为分散剂，采用液相剥离法制备出了单层WS2纳米片。通过显微技术和光谱对样品进行表征，发现使用威士忌剥离得到的WS2纳米片的质量要比传统方法中使用乙醇/水混合物剥离得到的WS2纳米片的质量要高得多，且威士忌中的醛、酯、酸等有机物可以使得WS2纳米片无缺陷、无掺杂地稳定分散在威士忌中。

BegimaiAdilbekova等[17]以氨水作为分散剂，采用液相剥离法制备出了单层2DWS2、2DMoS2等纳米材料，其中2DWS2的样品溶液浓度可达1mg/mL。以该方法制备出的2DWS2表现出p型半导体特征，将其用作有机太阳能电池中的空穴传输层时，所产生的器件功率转换效率高至15.6%。

1.2水热法

水热合成法通常是将反应物按照一定比例混合后溶于水中，并在闭合的容器中进行水热反应，是一种在一定压力和温度条件下的自上而下的合成方法。

WeiDing等[18]报道了一种在强磁场环境下通过水热法以制备1T-MoS2和1T-WS2的方法。即在温度为210℃的高压密闭反应环境中，加以不同强度的磁场并持续24小时。以该方法制备出的2DMoS2和2DWS2呈现出1T相，该1T-MoS2和1T-WS2在环境中能保持结构稳定的时间长达一年。研究发现，除了环境稳定性外，其电化学性能也优于对应的2H-MoS2和2H-WS2。

DeqingZhang等[19]以WCl6、硫代乙酰胺和GO水溶液作为反应物，通过一步水热法制备出WS2-rGO异质结纳米片。他们将该异质结纳米片用作吸波器件，发现当该吸波器件的厚度为2.7mm时，在9.5GHz带宽处存在最高为-41.5dB的反射衰减，当厚度进一步减少至1.7mm时，可以实现3.5GHz的有效吸收带宽。

1.3化学气相沉积法

化学气相沉积法的基本原理，是将W源和S源进行加热升温使其转变为气态，并在载流气体的输运下于衬底的位置进行沉积反应。CVD法因其具有操作简单、多条件可控等优点而被广泛应用在二维TMDs材料的制备上[3]。而如何大面积、高质量以及形貌、层数可控地制备二维材料是CVD法面临的挑战。

JieyuanLiang等[20]采用以碳纳米颗粒修饰的蓝宝石作为衬底，通过CVD法稳定地制备出了双层WS2二维纳米片，实现了对2DWS2的层数可控生长。将双层2DWS2用作为场效应晶体管时，其电子迁移率为34cm2·V-1·s-1，开关比高达6×108，这些性能都远高于在该衬底上制备出的单层2DWS2场效应晶体管。

ChangyongLan等[21]采用CVD法，以钨箔作为W源，并添加NaOH以作为促进剂，通过调控生长时间和载气中的氧气浓度，实现了2DWS2的可控制备。以此方法制备出的2DWS2的尺寸最高可达550m。NaOH促进剂的引入，为大面积、高质量地制备2DWS2提供了一种更为简单且有效的方案。

1.4其他方法

除了上述的几种较为常见的合成方法外，也有文献报道机械剥离法、锂离子插层法等方法也可用以制备2DWS2，但因产率低、实验成本高等缺点而没有得到大规模的应用。

机械剥离法是一种利用透明胶带在体材料上反复剥离直至得到单层薄膜的方法，该方法具有制备工艺简单、不易破坏晶体结构等优点。ThripuranthakaM等[22]通过机械剥离法从块状WS2晶体上剥离得到了单层WS2薄膜，并系统研究了当温度范围为77～623K时单层2DWS2的拉曼特征峰的温度依赖特性。但机械剥离法剥离得到的薄膜面积有限、样品产率较低，难以大规模应用。

锂离子插层法的基本原理是将体材料置于含有锂离子的溶剂当中进行超声处理，使得锂离子插入到体材料的层间对其进行剥离。AdelineHuilingLoo等[23]通过锂离子插层法采用不同浓度的锂离子插层剂制备了MoS2,MoSe2,WS2,WSe2等TMDs材料，但是以该方法制备样品需要经过将近一星期的搅拌、干燥等过程，这大大地提高了实验成本。

2、二硫化钨二维材料的应用

2.1场效应晶体管

TMDs材料具有电子迁移率高、开关比大等优点，可将其应用于场效应晶体管中并进一步讨论与探索其电学运输特性[1-3]。

YuchenYue等[24]采用CVD法，通过调整S源的引入时间和前驱体与衬底间的距离等反应参数，制备出了大面积(～233m)、高质量、结构均匀的单层2DWS2。将该2DWS2样品用作场效应晶体管时，电子迁移率可达50.5cm2·V-1·s-1，开关比可达107，这一数值基本上要高于之前文献中报道的所有基于2DWS2的场效应晶体管的性能。

ShanZheng等[25]报道了一种降低2DWS2场效应晶体管中源极和漏极触点间肖特基势垒高度(SBH)的有效方法，即在金属电极与2DWS2之间添加一层超薄Al2O3。他们研究了不同厚度的Al2O3层对降低SBH效果的影响，发现当Al2O3层的厚度为1.1nm时，降低效果最好，使得2DWS2场效应晶体管的开关比、电子迁移率等性能达到最高。这种金属-绝缘体-半导体的结构为降低金属与TMDs材料间的SBH提供了一种有效且可控的方案。

BaoshanTang等[26]利用高活性氮原子掺杂实现了2DWS2场效应晶体管中电子运输特性从n型到p型的转换。研究显示N原子可占据S原子的位点而与W原子形成稳定的化学键，使得在2DWS2的价带以上的0.24eV处形成了氮的受主能级，进而使得2DWS2场效应晶体管的导电特性从n型转变为p型。他们的研究为解决以TMDs材料构成的场效应晶体管、光电设备中n型单极性传导的限制提供了一种新思路。

2DWS2已被证实了具有高开关比、高电子迁移率等优点，越来越多的科研工作者仅是将2DWS2场效应晶体管作为一个工具来更深入地研究2DWS2的其他物理、化学特性。

2.2光电探测器

TMDs材料具有光响应时间短、光响应率高以及光吸收率高等优良的光学性能，这些突出的特性使其在光电探测领域极具应用前景[27]。

ChengJia等[28]首先采用两步热分解法在SiO2/Si衬底上制备了大面积的WS2薄膜，再通过湿法蚀刻工艺将WS2薄膜转移到GaAs衬底上，以此制成WS2/GaAs异质结。基于该异质结的光电探测器在阈值电压为-4V时可发生齐纳隧穿，且该器件具有59.7pA的低噪声电流、107的高开关比、527mA/W的高响应率以及高达80%的超高永久量子效率等优点。

MohammedAlamri等[29]采用化学气相沉积法在石墨烯上逐层制备了4～7层尺寸为200～400nm的WS2纳米圆盘(NDs)，形成了WS2-NDs/石墨烯异质结。在一定强度的光照下，该异质结可产生较强的表面等离子体共振效应。与常规的WS2连续薄膜(CL)制备出的WS2-CL/石墨烯异质结相比，WS2-NDs/石墨烯异质结的光响应度提高了7倍以上。

Chao-HuiYeh等[30]在铜箔上制备了石墨烯-WS2-石墨烯结，并在其表面覆盖上铟原子，以此构成了一种基于In/Gr-WS2-Gr杂化结构的光电探测器。与昂贵的Au-WS2-Au结构的光电探测器相比，其光响应度提高了6个数量级，达到了2.6×103A/W，同时其响应时间低至40～65s。研究表明，得益于石墨烯/WS2形成的异质结构以及铟原子与WS2通道的强电容耦合，该光电探测器的性能得到了大幅度提升。

从以上研究可以看出，2DWS2不断地被开发出了各种新型的异质结构，基于这些异质结构的光电探测器具有响应时间低、光响应度高等特点，且其性能均要高于单一的2DWS2。

2.3气敏传感器

因2DWS2具有较高的比表面积，这提高了气体分子与2DWS2的边缘位点的接触效率，使得2DWS2在气敏传感领域里具有极大的应用潜力[31]。

Jae-HunKim等[32]在聚酰胺衬底上制备了一种金功能化的2DWS2，并将其作为CO气敏传感器。他们将该气敏传感器暴露在H2S、C2H5O、C7H8、C6H6和CO等混合气体中，发现该传感器对CO的检测能力最强且远高于其他气体，他们还对该传感器及衬底进行了1000次的重复弯曲与扭动，发现其依然保持着原有的气体检测性能。

YutongHan等[33]设计了一种新型WS2/ZnS异质结构的气敏传感器，可用于在室温环境下对NO2气体的检测。研究发现基于该异质结构的气敏传感器在室温条件下对浓度为5ppm的NO2气体的响应时间仅为4s，对NO2气体的最低检测浓度为10ppb，并且在每次检测完毕后其检测性能都能得到良好地恢复。

DongzhiZhang等[34]通过自组装技术将2DWS2与Ni-In2O3纳米立方体结合，制备出用于在室温环境下检测甲醛的Ni-In2O3/WS2复合材料。基于该复合材料的气敏传感器对甲醛具有超高选择性，且对甲醛的最低检测浓度可低至15ppb。将该传感器暴露在一定浓度的甲醛气体中，发现在两个月内其气体检测性能并没有发生明显衰减。

从以上研究可以看出，现已开发出许多新型的2DWS2的掺杂材料、异质结等复合材料，这些复合材料在气敏传感领域中各有所长，且具有柔性、稳定性、高选择性以及高灵敏度等特点。

3、总结与展望

随着科学技术的不断进步与各个领域对新型材料需求的增大，包括2DWS2在内的TMDs二维材料在近十年来得到了飞速发展。本文主要对2DWS2在制备与电子器件的应用等两大方面在近年来的研究进展进行了讨论。2DWS2在过去常被用作润滑剂，但随着对其研究的不断深入，2DWS2已在电子器件领域有了一席之地。2DWS2作为一种新兴的二维材料，在未来有极大的发展潜力但也面临着不少挑战。虽然现已开发出许多制备2DWS2的方法，但如何在传统的制备方法中创新以实现高质量以及尺寸、层数、形貌等参数可控地制备2DWS2，这仍是待深入研究的方向。在电子器件领域中，2DWS2的异质结构、杂化材料、掺杂材料等功能化复合材料被不断地开发出来，且被证实其性能及功能基本上都要优于单一的2DWS2，所以对于新型2DWS2的功能化复合材料的开发仍是科研工作者们的重任。

刘兆肃,张仕源,刘国濠,郑晓婷,叶晓宜,徐海涛,劳媚媚.二硫化钨二维材料的制备与应用研究进展[J].广东化工,2020,47(18):90-91+104.

基金：华南农业大学大学生创新创业训练项目(202010564040);华南农业大学教育教学改革与研究基金重点项目(JG19103);广东省普通高校特色创新项目(2019KTSCX018);广东大学生科技创新培育专项资金项目(pdjh2019b0087);广东省高等教育教学研究和改革项目“多学科实验平台开展安全教育的分科类教学资源体系构建与实践”.