本文選題：二硫化鎢 + 化學氣相沉積　； 參考：《吉林大學》2017年碩士論文

【摘要】：過渡族金屬鎢的化合物在工業(yè)生產(chǎn)、科學研究等方面有著重要應用:二硫化鎢為半導體材料,近年來人們發(fā)現(xiàn),當二硫化鎢由體材料轉變?yōu)閱螌硬牧蠒r,其帶隙會由間接帶隙轉變?yōu)橹苯訋恫⒕哂腥嵝缘忍攸c,因此在薄膜器件、光電器件等領域擁有巨大的應用潛力;硼化鎢系列化合物具有優(yōu)越的機械性能和電學性能,比如硬度高、耐高溫、化學惰性好和電阻率低等優(yōu)點,在機械加工、極端條件下電極制備等領域有著重要的應用;兩種鎢化合物的合成、表征和性能研究成為近年來超硬、半導體和光電材料的研究熱點課題,引起人們的廣泛關注。本論文針對兩種鎢化合物研究中存在的問題開展了如下研究工作:(1)單層二硫化鎢的制備和表征;(2)硼化鎢及其相關固溶體的合成以及形成機制的研究。(1)過渡金屬硫屬化物(TMDC)單層材料,具有1-2 e V的可調直接帶隙,類石墨烯的晶體結構,因此基于該系列的材料可以組裝成性能優(yōu)良的平面薄膜晶體管、發(fā)光晶體管、光探測器、太陽能電池等器件。其中大部分的研究集中在Mo S_2的制備與應用,相比而言WS_2的研究較少。單層WS_2具有1.9 e V的直接帶隙,具有較高的遷移率,可以制備為高開關比的場效應管、高響應度的異質結光探測器等器件。為了能夠在科研、半導體領域有所應用,制備高質量大面積的WS_2材料無疑是研究的重點也是基礎。目前,人們利用機械剝離、鋰離子插入等方法進行WS_2單層材料的制備,但這些方法存在著晶體面積小、層數(shù)不可控的缺點。因此,尋找高質量、層數(shù)可控和大面積生長WS_2的方法和技術成為WS_2研究中的關鍵問題。化學氣相沉積法是一種簡單的薄膜制備方法,具備大面積、高質量、可控生長的優(yōu)點,已經(jīng)成功用于制備大面積、高質量單層Mo S_2材料。因此,本論文中以WO3為鎢源、S粉為硫源,藍寶石為襯底,利用低壓化學氣相沉積技術,開展制備WS_2二維材料制備的研究工作,并利用掃描電鏡、拉曼光譜進行結構表征。研究結果表明:WO3的量和生長溫度對WS_2晶體維度和晶體質量有較大的影響。750°C時,1 mg的WO3作為原料時,易合成出單層WS_2;WS_2晶體層數(shù)隨著WO3量的增加而增加;當WO3達到5 mg時,生長的WS_2晶體為花朵形狀的三維材料。在700°C時,所晶體在襯底表秒分布較為稀疏,升高至800°C時,較為密集,且多為多層材料。我們確定了適合生長單層WS_2材料的實驗條件,為單層WS_2的進一步科研應用打下基礎。(2)硼化鎢系列化合物一直作為在極端環(huán)境下最有發(fā)展?jié)撡|的材料之一:WB具有導電、耐腐蝕、耐高溫等特性,可以作為極端環(huán)境下的電極使用;W_2B5具有較高的穩(wěn)定性,可以用于制作復合材料,以提高材料的耐腐蝕性。WB4具有較高的硬度且在高溫下同樣穩(wěn)定,因此可以作為金剛石的代替材料制作各類切割工具。為了使WB和W_2B5更具應用價值,提高WB和W_2B5的硬度和導電性成為了研究的熱點。因此,我們考慮到使用碳作為摻雜材料,用以提高硼化鎢的性能。本論文選用B13C2和W粉分別作為B、C、W源,采用高能機械球磨和后熱處理方法進行了碳摻雜硼化鎢的制備,通過XRD等表征手段研究了鎢硼碳的晶體結構。研究表明:通過高能球磨的方法,可以制備W-B-C非晶合金。在900-1200°C真空氛圍中,對球磨后的樣品退火處理后。我們推斷在900-950°C下退火球磨后的混合物中,有W(B,C)和W_2B(C)兩種固溶體生成。為了證明推斷,我們利用第一性原理計算證明了WB(C)和W_2B(C)的形成能低于WB和W_2B的形成能,與推斷一致。在1200°C下退火處理球磨的樣品后,有WB和W_2B5生成。我們通過分析計算,闡明了W_2B(C)和WB(C)固溶體的形成機制,以及硼鎢摩爾比和退火溫度對硼鎢化合物相變的影響。
[Abstract]:The compounds of transition metal tungsten have important applications in industrial production and scientific research. Two tungsten sulfide is a semiconductor material. In recent years, it has been found that when two tungsten sulfide is transformed from body material to single layer material, the band gap will change from indirect band gap to direct band gap and has flexibility, so in film devices and photoelectric devices Such fields have great potential for application, and tungsten borate series have excellent mechanical and electrical properties, such as high hardness, high temperature resistance, good chemical inertness and low resistivity, and have important applications in the fields of mechanical processing, extreme conditions electrode preparation, and the synthesis, characterization and properties of two tungsten compounds. In recent years, the hot topics of super hard, semiconductor and photoelectric materials have attracted wide attention. The following research work has been carried out on the problems in the study of two kinds of tungsten compounds: (1) the preparation and characterization of single layer two tungsten sulfide; (2) the synthesis and formation mechanism of tungsten borate and its related solid solution. (1) transition gold A single layer of sulfur genus (TMDC), with 1-2 e V adjustable direct bandgap and crystal structure of graphene, so based on this series of materials can be assembled into excellent planar thin film transistors, luminescent transistors, photodetectors, solar cells and other devices. Most of these studies are focused on the preparation and application of Mo S_2. WS_2 has less research. Single layer WS_2 has direct band gap of 1.9 e V and has high mobility. It can be prepared as a field effect tube with high switching ratio, high responsiveness heterojunction detector and other devices. In order to be able to be applied in the field of scientific research and semiconductor, preparation of high quality and large area of WS_2 material is undoubtedly the focus of the research. At present, people have made use of mechanical peeling and lithium ion insertion to prepare WS_2 monolayer, but these methods have the shortcomings of small crystal area and uncontrollable number of layers. Therefore, the key problem in WS_2 research is to find high quality, layer number and large area growth of WS_2. Chemical vapor deposition is one of the key problems. A simple thin film preparation method has the advantages of large area, high quality and controllable growth. It has been successfully used in the preparation of large area and high quality single layer Mo S_2 materials. Therefore, in this paper, the research work on Preparation of WS_2 two-dimensional material by WO3 as the tungsten source, S powder as the sulfur source, sapphire as substrate and low pressure chemical vapor deposition technology has been developed. The results show that the amount of WO3 and the growth temperature have a great influence on the dimension of WS_2 crystal and the crystal quality of the.750 degree C. When the 1 mg WO3 is the raw material, the single layer WS_2 is easily synthesized; the WS_2 crystal number increases with the increase of WO3; when WO3 reaches 5 mg, the growing WS_2 crystal is the flower. The three-dimensional material of shape. At 700 C, the crystal is relatively sparse in substrate surface second, and is more dense and multi layer material when it is raised to 800 degree C. We have determined the experimental conditions suitable for the growth of single layer WS_2 material, and lay the foundation for further research and application of single layer WS_2. (2) tungsten borate series have always been in the extreme environment. One of the most potential materials for development: WB has the characteristics of conductive, corrosion resistant, high temperature resistance and so on. It can be used as electrode in extreme environment. W_2B5 has high stability and can be used to make composite materials to improve the corrosion resistance of material.WB4 with high hardness and stable at high temperature, so it can be used as a substitute for diamond. Making all kinds of cutting tools for materials. In order to make WB and W_2B5 more valuable, improving the hardness and conductivity of WB and W_2B5 has become the hot spot of research. Therefore, we consider the use of carbon as a dopant to improve the properties of tungsten boride. This paper uses B13C2 and W powder as B, C, W, high energy mechanical ball milling and post heat. The preparation of tungsten boron boron carbide was prepared by means of carbon doping. The crystal structure of tungsten boron carbon was studied by means of XRD and other characterizations. The study shows that W-B-C amorphous alloy can be prepared by high energy ball milling. In the vacuum atmosphere of 900-1200 degree C, after the annealing of the samples after ball milling, we infer that the mixture after the 900-950 degree C is removed from the mixture of fireball. In order to prove inference, we have proved that the formation energy of WB (C) and W_2B (C) formation energy of WB (C) and W_2B (C) is lower than that of WB and W_2B. In order to prove the inference, we have proved that the formation energy of WB (C) and W_2B (C) is lower than WB and W_2B. After annealing for the samples of ball milling under 1200 degrees C, there are W and solid solutions. The formation mechanism, and the effect of boron tungsten molar ratio and annealing temperature on the phase transition of boron tungsten compounds are discussed.
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TN304

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本文編號：2034294