二硫化钨薄膜的可控制备及其表面增强拉曼研究

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近年来,二维类石墨烯材料由于其优异的光、电、力学等性质吸引了大量工作者的广泛研究。单层的二维过渡金属硫族化合物(TMDs)材料具有石墨烯所不具备的直接带隙,在诸多领域均有较大的应用潜质,相比于其他的二维TMDs材料,WS2具备密度和分子量较高,自旋轨道耦合强,且具有双极性电子输运特性等优势,得到了广泛的应用。但是可控地合成WS2仍然面临着巨大的挑战,本文利用化学气相沉积法可控地制备出大面积、高质量的WS2薄膜,分析了不同生长参数对WS2薄膜形貌的影响,探索了其生长机制,并研究了WS2薄膜对R6G分子的拉曼增强效果,研究的内容主要包括以下几个方面:首先,通过传统的低压化学气相沉积法,在SiO2(300nm)/Si衬底上成功制备出WS2薄膜,分析出三种生长参数(S引入时间,WO3前驱体温度和生长温度)对生长所得到的产物以及产物形貌的影响,发现生长所得到的产物以及产物的形貌高度依赖于S前驱体浓度、W前驱体浓度和W原子与S原子的比例,结果显示,当W原子和S原子配比W/S≤1:2,生长得到三角形和六角形的WS2片,相反,当W/S>1:2,除了得到WS2薄膜外,过量的W原子会在衬底上形成W纳米线。其次,通过常压化学气相沉积法,在SiO2(300nm)/Si衬底上成功制备出WS2薄膜,获得的WS2薄膜的面积较低压化学气相沉积法获得的样品面积大,最佳条件下获得的三角形WS2薄膜边界的平均长度约200μm,在一定的实验条件下可以得到连续的薄膜。通过分析氧化钨的加热温度、衬底与氧化钨的距离和气流大小三个生长参数对样品形貌的影响,结果表明常压比低压系统的可控性更强,更容易生长得到薄膜,而不易得到W纳米线。最后,研究了化学气相沉积法制备的WS2薄膜对R6G探针分子的表面增强拉曼散射效果,分别测量了10-3、10-4、10-5、10-6、10-7mol/L五种浓度的R6G分子的拉曼信号,发现单层的WS2薄膜对R6G分子的拉曼增强效果最显著,且R6G分子的拉曼增强效果随着WS2薄膜层数的增加逐渐减弱。进一步分析拉曼增强的机制后发现,WS2薄膜对R6G分子的拉曼增强效应主要是由于WS2薄膜和R6G分子之间电荷转移导致,说明WS2薄膜可作为一种很好的表面增强拉曼的基底。
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