后研究工作報(bào)告

1、分類號(hào)密級(jí)無(wú)UDC127505中國(guó)博 士 后 研 究新型二維層狀材料的探索從到光、電、磁性質(zhì)研究工作完成日期2013 年 5 月2015 年 5 月提交日期2015 年 5 月中國(guó)半導(dǎo)體2015 年 5 月新型二維層狀材料的探索從到光、電、磁性質(zhì)研究THE EXPLORATION FOR NEW TWO-DIMENALLAYERED MATERIALSFROM SYNTHESIS TO OPTICAL,ELECTRICAL, MAGNETIC PRORTIES博士后姓名站（一級(jí)學(xué)科）名稱中國(guó)半導(dǎo)體專業(yè)（二級(jí)學(xué)科）名稱凝聚態(tài)物理研究工作起始時(shí)間 2013 年 5 月 24 日研究工作期滿時(shí)間 2

2、015 年 5 月 24 日中國(guó)半導(dǎo)體2015 年 5 月內(nèi) 容 摘 要二維材料具有許多新奇的物理性質(zhì)，因此引起了眾多研究者的關(guān)注。這類材料具有很強(qiáng)的面內(nèi)化學(xué)鍵合作用以及很弱的層間作用力，所以易于剝離為單層厚度。這類材料還具有二維的層狀結(jié)構(gòu)、一定尺寸的帶隙，可以用于電子學(xué)和光電子學(xué)領(lǐng)域的研究。本文中涉及了幾種原子薄層二維材料的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)性質(zhì)調(diào)控，以及相應(yīng)器件的設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面研究。要內(nèi)容如下：，材料的主1.研究了氣體分子物理吸附對(duì)少層Mo:ReSe2 納米片光探測(cè)器的影響。本章在空氣和氨氣條件下分別對(duì)比了剝離器件和退火器件的光響應(yīng)。退火后，Mo:ReSe2光探測(cè)器在氨氣環(huán)境下展現(xiàn)出了更高的

3、光響應(yīng)和外部量子效率。通過(guò)理論計(jì)算得出，氨氣吸附在Mo:ReSe2上可以引起電荷轉(zhuǎn)移，因此增加了 n-型Mo:ReSe2 納米片的載流子密度。2.本章了快速且穩(wěn)定的少層GaS 兩終端光探測(cè)器。該光探測(cè)器在氨氣中可獲得比空氣和氧氣中更高的光響應(yīng)和外部量子效率。理論計(jì)算表明，吸附的氣體分子與光探測(cè)器之間可發(fā)生不同的電子轉(zhuǎn)移，因而導(dǎo)致不同的光響應(yīng)。3.本章研究了 ReSe2 納米片的帶隙及遷移率性質(zhì)。研究表明隨層數(shù)增加，性質(zhì)發(fā)生變化，因此影響了不同層數(shù) ReSe2 晶體管的性能。單層晶體管的遷移率要高于其多層器件。而且，單層器件對(duì)紅光非常敏感，在光的作用下遷移率有所增加。分子的物理吸附也可作為“開關(guān)

4、”來(lái)調(diào)控單層晶體管的載流子密度，因此在氧氣環(huán)境中可以獲得高的光響應(yīng)和外部量子效率。4.少層 MoS2 中，不同的堆積模式可以強(qiáng)烈影響其電學(xué)性質(zhì)。本章中，通過(guò)化學(xué)備了雙層 MoS2 納米片。通過(guò)光學(xué)影像可以觀察到雙層 MoS2 納米氣相沉積片中同時(shí)存在 A-B 和A-A兩種堆積，且這兩種堆積呈現(xiàn)出了不同的峰曲線。通過(guò)理論計(jì)算得出，A-B 和A-A堆積是雙層 MoS2 中五種可能的堆積方式中最穩(wěn)定且能量最低的兩種，同時(shí)證實(shí)了實(shí)驗(yàn)中所觀察到的現(xiàn)象。5.本章中通過(guò)誘導(dǎo)局部應(yīng)力，調(diào)控了 ReSe2 的磁學(xué)、光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)。由于褶皺形成而誘導(dǎo)產(chǎn)生了局部應(yīng)力，因此可以（1）調(diào)控光學(xué)帶隙而使光致發(fā)光峰（2）增

5、強(qiáng)發(fā)光，（3）誘導(dǎo)磁性產(chǎn)生，（4）調(diào)控電學(xué)性質(zhì)。，：氣相生長(zhǎng)，氣體分子調(diào)控，光調(diào)控，應(yīng)力調(diào)控，光電器件AbstractTwo-dimenal(2D)materialshaverecentlybeenthefocusofextensive research activity owing to their fascinating physical prorties.These materials have 2D layered structure with strong in-plane bondingand weak out-of-planeeractions enabling exfoliat

6、iono single unitcell thickness. Their 2D structure, coupled with sizable band-gaps, suggests suitability for nanoelectronics and optoelectronics. We reviewmethods for preparing atomically thin layers, tuning their electronic andoptical prorties, and designing devifor future applications inelectronic

7、s and optoelectronics. Primary coverage presentedcan be summarized as follows:his thesis1. We investigated the effects of physisorption of gas molecule on thefew-layer Mo:ReSe2 nanosheet based photodetectors. We compared thephotoresponse of the as-exfoliated device winnealed device both inairorammon

8、ia(NH3)environment.Afterannealingatition temratures, the Mo:ReSe2 photodetectors show abetter photoresponsivitytheoretical investigation, molecule on Mo:ReSe2and higher EQE in NH3n inair. Byof NH3 transferwe concludet the physisorptionmonolayer can cause the chargebetn NH3 molecule and Mo:ReSe2 mono

9、layer, increasing the n-tycarrier density of Mo:ReSe2 monolayer.2. Here a few-layer GaS two-terminal photodetector wifast and stableresponse has been fabricated. It shows different photo-responses invariousgasenvironments.A higherphoto-responseandexternalquantum efficiency (EQE) are obtained in ammo

10、nia (NH3)n in air oroxygen (O2). A theoretical investigation showst the charge transferbetn the adsorbed gas molecules and the photodetector leads to thedifferent photo-responses.3. Here we demonstratet the band-gapand mobility of ReSe2increase when the layernanosheet, a new member of 2D materials,n

11、umberdecreases,thusinfluencingtherformanofReSe2transistors with different layers. A single-layer ReSe2 transistor showsmuch higher device mobilityn few-layer transistors. Moreover, asingle-layer devihows high sensitivity to red light (633 nm) and hasa light-improved mobility. Molecular physisorption

12、 is used as “gating” to modulate the carrier density of our single-layer transistors, resulting in a high photoresponsivity and external quantum efficiency in O2environment.4. Various stacking patterns have been predicted in few-layer MoS2,strongly influencing its electronic prorties. Bilayer MoS2 n

13、anosheetshave been synthesized by vapor phase growth. It is foundt bo-BandA-AstackingconfigurationsarepresentinbilayerMoS2nanosheets through optical images, and the different stacking patternsexhibit distinctive line shs in the Raman sctra. By theorycalculation, it is also concludedt the A-B and A-A

14、 stacking are themost stable and lowest-energy stacking in the five predicted stackingpatterns of bilayer MoS2 nanosheets, which proves the exobservations.rimental5. Here, we findt local strain induced on ReSe2, a new member of thetransition metal dichalcogenides family, grey changes its magnetic,op

15、tical, and electrical prorties. Local strain induced by generation ofwrinkle (1) modulates the optical gap as evidenced by red-shiftedphotoluminescenceak, (2) enhanlight emis, (3) indumagnetism, and (4) modulates the electrical prorties.Keywords:Vaporphasegrowth,gasmoleculemodulation,lightmodulation

16、, local-straodulation, photoelectrical devi.目次1二維層狀材料電子學(xué)及光電子學(xué)概述11.11.2前言1二維材料的21.2.11.2.2自上而下的方法2自下而上的方法51.31.4電子結(jié)構(gòu)5電輸運(yùn)及器件61.4.11.4.21.4.31.4.41.4.51.4.61.4.71.4.81.4.9電子學(xué)材料6輸運(yùn)及散射機(jī)制7二維材料晶體管9二維材料電子學(xué)發(fā)展方向11光電子學(xué)11光學(xué)和振動(dòng)性質(zhì)12柔性和透明光電子學(xué)13光伏以及光探測(cè)13光發(fā)射141.51.61.71.8自旋、軌道和谷的相互作用15分子傳感應(yīng)用16二維材料的未來(lái)發(fā)展16本文工作簡(jiǎn)介17參考文獻(xiàn)

17、18高效少層鉬摻硒化錸納米片光探測(cè)器3422.12.22.3前言34光敏實(shí)驗(yàn)及分析36結(jié)果40參考文獻(xiàn)43高效少層硫化鎵光探測(cè)器4833.13.2前言48結(jié)果與503.2.13.2.23.2.33.2.4分析51能帶結(jié)構(gòu)計(jì)算52光敏性質(zhì)測(cè)試53氣體吸附計(jì)算563.3結(jié)論57參考文獻(xiàn)58硒化錸納米片場(chǎng)效應(yīng)管6344.14.2前言636464結(jié)果與4.2.14.2.24.2.34.2.44.2.5器件場(chǎng)效應(yīng)性質(zhì)測(cè)試65能帶結(jié)構(gòu)計(jì)算67光敏性質(zhì)測(cè)試68第一性原理計(jì)算704.3結(jié)論72參考文獻(xiàn)72雙層硫化鉬氣相生長(zhǎng)與堆積研究7755.15.25.35.4前言77材料78性質(zhì)表征80結(jié)果與84參考文獻(xiàn)8

18、6硒化錸褶皺性質(zhì)研究9166.16.26.3前言91結(jié)果與分析92及總結(jié)95參考文獻(xiàn)101結(jié)論1047致謝105，專著106，專著108博士生期間博士后期間的學(xué)術(shù)的學(xué)術(shù)符號(hào)表R EQEtlife ttran I P Str td h c e Ci r d p E D Ad Ea Eg pre L L h 光敏度，光響應(yīng)外部量子效率 載流子電荷在兩電極之間的輸運(yùn)時(shí)間光電流與暗電流的差值照射到器件上的光功率強(qiáng)度器件的有效照射面積上升階段的時(shí)間常數(shù)下降階段的時(shí)間常數(shù)常數(shù)光速電荷入射光的波長(zhǎng)遷移率導(dǎo)電溝道與底柵之間每襯底的相對(duì)介電常數(shù)襯底厚度電荷載流子濃度溝道電場(chǎng)吸附區(qū)域?qū)挾葦M合參數(shù)指數(shù) 層間距吸附能

19、帶隙 預(yù)應(yīng)力襯底初始長(zhǎng)度拉伸后相對(duì)長(zhǎng)度改變應(yīng)力泊松比 樣品厚度褶皺高度褶皺寬度面積的電容1 二維層狀材料電子學(xué)及光電子學(xué)概述1.1 前言許多二維材料都是以體材料形式存在的，體材料由強(qiáng)的鍵合層以弱的層間堆積而成，因此可以剝離為單獨(dú)的、原子層厚度的薄層1。至今，最受關(guān)注的二維材料就是石墨烯，它是單層結(jié)構(gòu)的石墨。石墨烯能帶結(jié)構(gòu)在 K 點(diǎn)附近線性分布，其載流子被稱為無(wú)質(zhì)量，這為科學(xué)家們提供了大量新奇的物理現(xiàn)象2,3。石墨烯是一個(gè)獨(dú)特的例子，它是一個(gè)非常薄的電和熱導(dǎo)體4，它具有高的載流子遷移率5，以及驚人的分子屏障性能6,7。還有許多其他已知的二維材料，如過(guò)渡金屬硫族化物（TM）8,9，過(guò)渡金屬氧化物，

20、其中包括二氧化鈦、鈣鈦礦型氧化物10,11，并且還有石墨烯的類似物，如氮化硼（BN）等12,13。特別的是，TM 已經(jīng)被研究者研究了幾十年，這類材料具有一系列的電學(xué)、光學(xué)、機(jī)械、化學(xué)和熱力學(xué)性質(zhì)9,14,15。通過(guò)對(duì)石墨烯的深入探索，近期在二維材料的樣品、光學(xué)檢測(cè)、轉(zhuǎn)移和調(diào)控，以及物理性質(zhì)等方面都取得了很大進(jìn)展，繼石墨烯之后，原子薄層的二維形式 TM和工程領(lǐng)域也成為了研究的熱點(diǎn)。在科學(xué)二維剝離形式的 TM具有許多不同于石墨烯且互補(bǔ)于石墨烯的性質(zhì)。石墨烯具有極高的載流子遷移率，對(duì)于封裝在 BN 介電層中的器件來(lái)說(shuō)，在 2K 時(shí)可達(dá) 106cm2V-1s-1,在室溫下可達(dá) 105然而，由于純凈的石

21、墨烯沒(méi)有帶隙，所以由石墨烯所cm2V-1s-116，的場(chǎng)效應(yīng)管也不能有效的開關(guān)而且開關(guān)比非常低。石墨烯的帶隙可以通過(guò)使用納米結(jié)構(gòu)17-19、化學(xué)功能化20，或者通過(guò)對(duì)雙層石墨烯施加高的電場(chǎng)來(lái)調(diào)節(jié)21，但是這些方法增加了器件的復(fù)雜性并降低了遷移率。相反的，具有相當(dāng)大的帶隙，約為 1-2eV9,14，因此可以用于一些二維 TM設(shè)計(jì)新的有趣的場(chǎng)效應(yīng)晶體管和光電器件。TM是一系列分子式為 MX2 的材料，其中 M 是 IV 族(Ti、Zr、Hf 等)、V 族（V、Nb 或 Ta）和 VI 族（Mo、W 等）的過(guò)渡金屬元素，X 是硫族元素（S、Se 或 Te）。這些材料形成 X-M-X 形式的層狀結(jié)構(gòu)，

22、其中硫族原子形成兩層六角形結(jié)構(gòu)的平面，在兩層平面中夾著一層由金屬原子形成的平面。相鄰的層之間由很弱的相互作用力相結(jié)合，堆積成具有不同聚合形態(tài)的體材料晶體，這些晶體堆積順序不同，金屬原子配位也不同。TM的電子性質(zhì)廣泛，范圍從金屬過(guò)渡到半導(dǎo)體。也有許多過(guò)渡金屬硫族化合物展現(xiàn)出與眾不同的性質(zhì)，如電荷密度波和超導(dǎo)電性22-24，但是這些已經(jīng)超出了本文的研究范圍。在 TM中由層數(shù)決定的性質(zhì)近期也備受矚目。舉例來(lái)說(shuō)，在一些半導(dǎo)體 TM中，存在這樣一種轉(zhuǎn)變，由體材料時(shí)的間接帶隙可以轉(zhuǎn)變?yōu)閱螌硬牧蠒r(shí)的直接帶隙：如硫化鉬（MoS2）的體材料其間接帶隙為 1.3eV，轉(zhuǎn)變?yōu)閱螌有问揭院?，變成直接帶隙值?1.8e

23、V25。直接帶隙也可引起單層MoS2 的光致發(fā)光，這可以激發(fā)許多光電子方面的應(yīng)用25。MoS 的電子結(jié)構(gòu)也可能實(shí)現(xiàn)谷極化，這在雙層硫化鉬中從2未觀察到26-28。大體上，二維材料有許多由層數(shù)決定的有趣性質(zhì)，這些二維材料包括石墨烯和 TM，這些性質(zhì)與體材料性質(zhì)大有不同。盡管 TM已經(jīng)被研究了數(shù)十年，但是作為原子薄層的材料來(lái)說(shuō)還是非常新穎的，本章的目標(biāo)是介紹一些已有研究的內(nèi)容，并提出許多可能的令人興奮的進(jìn)展。1.2 二維材料的原子薄層的、具有均一性質(zhì)的二維 TM對(duì)于將其新的電子學(xué)和光電子學(xué)引入實(shí)際應(yīng)用來(lái)說(shuō)是的。本段中闡述了兩種實(shí)用的方法，即自上而下的體材料剝離法和自下而上的比了二者之間的差異。法，

24、并且對(duì)1.2.1自上而下的方法通過(guò)使用膠帶微機(jī)械剝離法，可以將 TM原子薄層片從它們的體材料晶體上剝離下來(lái)1,29-25，并轉(zhuǎn)移到襯底上，利用光的可以進(jìn)行光學(xué)識(shí)別36,37，這項(xiàng)技術(shù)是在石墨烯中探索出來(lái)的。其他二維層狀材料，如 BN1,12,29和氧化物納米片10,38等，通過(guò)微機(jī)械剝離法也可以剝離為單層片。機(jī)械剝離得到的單晶片純度高且潔凈，適合用于本征性質(zhì)研究30,33和獨(dú)立器件11,31,32,34,35,39-41。然而這種方法不能大批量樣品，而且不能系統(tǒng)的控制厚度和尺寸。最近，通過(guò)使用微米級(jí)分辨率的熱消融技術(shù)，利用聚焦激光光斑可以將MoS2 減薄到單層厚度，由于需要激光光柵掃描，因此利

25、用該法進(jìn)行大量性42。仍具有為了獲得大量剝離的納米片，可以采用液相法來(lái)TM。這種方法還可用于其他方面，如復(fù)合材料或者雜化材料，通過(guò)過(guò)濾、噴墨印刷、旋涂和刮刀等，可將不同材料的分散體43,44、薄膜和涂層進(jìn)行簡(jiǎn)單的混合。由溶液得的石墨烯已經(jīng)被用來(lái)高頻的柔性光電子器件（電流增益截止頻率 2.2 GHz），期望，由溶液得的 TM也能有良好的應(yīng)用前景，可以用于柔性電子器件和復(fù)合材料的中。通過(guò)將 TM進(jìn)行離子插層，可以將層與層在液體中進(jìn)行剝離。51，隨后在 1980 年 Morrison, Frindt插層法最早是在 1970 年和其團(tuán)隊(duì)提出可將材料剝離為薄層47，至今，這些方法再一次引起了49,50。

26、在中 51，新的1970 年，首次了將鋰離子插層進(jìn)入TM由此 Morrison, Frindt 和其團(tuán)隊(duì)首次提出通過(guò)插層來(lái)驅(qū)動(dòng)剝離47。具體的過(guò)程包括將 TM體材料粉末分散在含鋰化合物中 24 小時(shí)以上，如正丁基鋰溶液，使鋰離子插層入體材料中，然后將插層后的材料于水中，水與層間的鋰發(fā)生劇烈反應(yīng)并放出氫氣，這加速了層與層之間的分離47,49。出克數(shù)量級(jí)的亞微米大小的單層52，但這種化學(xué)剝離法可以是所得的剝離材料其結(jié)構(gòu)和電學(xué)性質(zhì)都與體材料不同49。特別的是，對(duì)于 MoS2，這一過(guò)程可以使剝離的納米片由半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘伲⑶襇o原子的配位形式由三棱柱（2H-MoS2）變?yōu)榱税嗣骟w（1T-MoS2）4

27、9,53-55。經(jīng)過(guò)300退火以后，Mo 原子的配位形式可以由 1T-MoS 轉(zhuǎn)2變?yōu)?2H-MoS2，又回到原始材料的半導(dǎo)體能帶，此過(guò)程由帶隙光致發(fā)光重新出現(xiàn)即可證明49。鋰插層化學(xué)剝離法在許多其他的 TM中也有，如 MoS 、WS 、MoSe 、SnS55,56。2222另法是更快捷且更可控化的鋰化法，該法利用了電化學(xué)電池，其中包含鋰箔陽(yáng)極和含有 TM的陰極，該法是近期被 Zeng 等的50,57。當(dāng)電化學(xué)電池內(nèi)電流放電時(shí)插層也同時(shí)發(fā)生，因此可監(jiān)控鋰化的程度。像之前一樣，由此產(chǎn)生的鋰插層材料在水中也可超聲剝離，從而得到單層 TM薄片。這種方法已首先用于剝離 MoS2, WS2,TiS ,

28、TaS , ZrS 和石墨烯50, 之后又被用來(lái)剝離 BN, NbSe , WSe ,2222257Sb Se 和 Bi Te。與需要 24 小時(shí)以上時(shí)間的正丁基鋰法相比，該2323法只需要幾個(gè)小時(shí)時(shí)間即可完成鋰插層。作為另一種選擇，TM還可以通過(guò)在適當(dāng)?shù)囊后w里超聲進(jìn)行剝離，液體包括、表面活性劑水溶液、溶解有聚合物的溶液43,44,58,59。典型的是，超聲可以導(dǎo)致層狀晶體機(jī)械剝離為尺寸約幾百納米的片。由于從溶液中可以吸附分子，所以通過(guò)溶劑化或通過(guò)空間靜電排斥作用可以使剝離的納米片穩(wěn)定化，并防止再團(tuán)聚發(fā)生43。來(lái)自溶液的分子可以通過(guò)非共價(jià)相互作用吸附在 TM納米片上，但還需要的工作來(lái)確定此法是

29、否影響了材料的電子性質(zhì)。剝離層狀材料所需要的能量可以由表面能進(jìn)行量化，該能量是由將單層材料從體材料剝離下來(lái)所需要的能量除以單層表面積的平方所得。來(lái)自剝離和反氣相色譜研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，BN、MoS2、 WS2和 MoSe 的表面能范圍是 65-75mJ m-243,60。這些數(shù)值與石墨烯的表面2能相近，所測(cè)得的石墨烯表面能為 65-120 mJ m-261,62，表明無(wú)機(jī)層狀化合物可以像石墨一樣易于剝離，或者更容易剝離。離子剝離的主要優(yōu)點(diǎn)是單層產(chǎn)量高49，并且通過(guò)電化學(xué)法進(jìn)行鋰插層可以使剝離過(guò)程更快捷且更易于控制50,57。但是鋰化合物在空氣中易燃，這就要求剝離過(guò)程需要在惰性氣體下操作，鋰也是

30、一個(gè)日益昂貴的資源，所以需要去尋找可以替代的材料。液相剝離對(duì)外界環(huán)境不敏感，但是單層片的產(chǎn)量相對(duì)低43。因此，對(duì)于需要單層材料的電子或光子應(yīng)用來(lái)說(shuō)，經(jīng)過(guò)退火的離子剝離納米片是很有用的；但是對(duì)于需要大量復(fù)合材料的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，液相剝離更適合。合理控制納米片的厚度和尺寸可能是納米電子學(xué)和光電子學(xué)中的特定要求。同時(shí)通過(guò)與石墨烯類比，新的層控制化學(xué)63以及薄片向尺寸65排序可以提供解決方案。后按層的厚度64和橫1.2.2自下而上的方法開發(fā)新的方法來(lái)大面積的均勻的片層對(duì)于應(yīng)用來(lái)說(shuō)非常重要，如制造大級(jí)別的電子器件、柔性且透明的光電子器件。像之前在的一樣，在金屬襯底上的化學(xué)氣相沉積（CVD）66和在石墨烯中Si

31、C 襯底上的外延生長(zhǎng)67等大規(guī)模造成為可能68-70。方法的發(fā)展，使大型器件的制近期了一些在絕緣襯底上生長(zhǎng)MoS2 原子薄膜的CVD 方法71-73，這些方法都是通過(guò)將不同的固體前驅(qū)物加熱到高的溫度來(lái)材料的：硫粉和 MoO 粉末蒸汽化并共沉積在襯底上71,74；將一薄層372Mo 原子沉積在晶片上并在固體硫中加熱 ；將襯底滴涂(NH ) MoS 溶4 24液并在硫蒸汽中加熱73。這些方法中，所得 MoS 膜的厚度大多取決2于材料的濃度或前驅(qū)物的厚度，然而精確的控制大面積的層厚度還未實(shí)現(xiàn)。通過(guò)利用 Cu 箔上 CVD 生長(zhǎng)的石墨烯作為表面模板來(lái)進(jìn)行 MoS2的 CVD 生長(zhǎng)，可以得到橫向尺寸幾微

32、米的 MoS 單晶片75。這些 CVD2雖然是相對(duì)早期的結(jié)果，但是卻可以為未來(lái)生長(zhǎng)其他的非MoS2二維材料和控制層數(shù)大面積均勻的 TM提供保障。通過(guò)水熱來(lái)化學(xué)MoS2 和 MoSe2 也有所報(bào)導(dǎo)（水熱法是在高溫高壓下，從水溶液中生長(zhǎng)單晶的方法）76,77。近期，Matte 描述了一系列WS2, MoS2, WSe2和MoSe2 的方法，其中包含利用鎢酸或鉬酸與硫脲或硒脲在一定溫度下的反應(yīng)來(lái)相應(yīng)的 TM層狀材料。這種方法可以得到尺寸為幾百納米到幾微米的高質(zhì)量的典型片層材料，盡管最終片層厚度還未達(dá)到單層。1.3電子結(jié)構(gòu)近似25,80-85，以及各種不同的光譜測(cè)如第一性原理計(jì)算和緊試所示31,32,

33、86-89，許多TM具有與其一般特征類似的能帶結(jié)構(gòu)。通常情況下，MoX2 和 WX2 化合物是半導(dǎo)體，而 NbX2 和 TaX2 是金屬性的25,80-84。通過(guò)第一性原理計(jì)算，所得的 MoS 和 WS 體材料與單層結(jié)構(gòu)22帶隙中25，在點(diǎn)，帶隙躍遷由體材料的間接帶隙逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閱螌硬牧系闹苯訋?4,73-77，在 K 點(diǎn)的直接激子躍遷卻未隨層數(shù)發(fā)生相對(duì)變化32。帶隙隨層數(shù)發(fā)生改變是由于量子限制效應(yīng)和 S 原子中Pz 軌道與Mo 原子中 d 軌道發(fā)生雜化引起的31,32,81，電子空間分布也與原子結(jié)構(gòu)相關(guān)32。對(duì)于 MoS ，密度泛函理論表明，K 點(diǎn)的導(dǎo)帶主要來(lái)自于 S-Mo-S2三明治結(jié)構(gòu)中

34、間的 Mo 原子 d 軌道，不受層間耦合作用影響32。因此隨著層數(shù)的改變，K 點(diǎn)附近的直接激發(fā)態(tài)，相對(duì)未發(fā)生改變，而點(diǎn)的躍遷從間接帶隙轉(zhuǎn)變?yōu)榇蟮闹苯訋?。隨層數(shù)的減少，所有MoX2和 WX2 化合物都可能經(jīng)歷類似的間接到直接帶隙轉(zhuǎn)變，覆蓋的帶隙能量范圍在 1.1-1.9eV25,81-84,90。與 Si 的帶隙相比（1.1eV），大部分半導(dǎo)體 TM，無(wú)論是體材料還是單層，都適合用于數(shù)字晶體管91。電子能帶結(jié)構(gòu)也決定了材料的光物理性質(zhì)。放大的帶隙示意圖也展示了激子躍遷 A 和 B，以及在31E 和 E 的直接帶隙和間接帶隙 。gg在單層中直接帶隙躍遷有許多重要的應(yīng)用，如光子學(xué)、光電子學(xué)和傳感等

35、，將在下部分詳細(xì)。1.4電輸運(yùn)及器件1.4.1電子學(xué)材料半導(dǎo)體材料的一個(gè)重要應(yīng)用就是數(shù)字電子器件中的晶體管。在過(guò)去的幾十年中，晶體管由大規(guī)模逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樵絹?lái)越小的尺寸，這推動(dòng)了數(shù)字電子工業(yè)的發(fā)展。當(dāng)前，最先進(jìn)的處理器就含有硅基金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET），其特征長(zhǎng)度為 22 nm92。由于統(tǒng)的限制92，尺寸的減小將很快接近極限，計(jì)和量子效應(yīng)以及散熱這將激勵(lì)人們?nèi)ヌ剿餍碌脑O(shè)備理念和新材料。特別是，二維半導(dǎo)體材料具有加工性能并缺乏阻礙器件性能的短溝道效應(yīng)，這使其具有很大的91。在場(chǎng)效應(yīng)管的基本結(jié)構(gòu)中，二維 TM可以作為半導(dǎo)體溝道材料，連接在源漏電極之間，與柵極之間被一層介電層分隔開9

36、3。通過(guò)柵極可以調(diào)節(jié)溝道的電導(dǎo)，從而控制源漏電極之間的電流。硅是最基本的材料，因?yàn)槠湫阅芤约翱梢詰?yīng)用于計(jì)算機(jī)的數(shù)字電路中，所以它可以滿足工業(yè)的需求，而其他半導(dǎo)體材料，如 SiC, GaN, Ge 和 GaAs等，有其他特殊的應(yīng)用，如發(fā)光二極管（LED），大功率的電子器件，高溫電子器件，射頻電子器件和光伏器件94。已有研究的其他納米材料還有碳納米管95,96、石墨烯68,70,95和半導(dǎo)體納米線97。對(duì)于數(shù)字邏輯晶體管，理想的特性是具有快速運(yùn)行所需的子遷移率，進(jìn)行有效的切換所需的高的開/關(guān)比率（即開態(tài)和關(guān)態(tài)的電導(dǎo)之比），和高導(dǎo)電性（即電荷密度和遷移率的），以及運(yùn)行時(shí)低能耗所需的低關(guān)態(tài)電導(dǎo)。在大部

37、分半導(dǎo)體材料中，可以利用摻雜來(lái)增加電荷密度，但是由于散射，摻雜也可能會(huì)導(dǎo)致遷移率下降92,97,98。對(duì)于數(shù)字邏輯方面，開關(guān)比達(dá)到 104-107 才可以滿足開關(guān)需求91,95。對(duì)于石墨烯的大部分集中在電子器件應(yīng)用方面，因?yàn)樗嵌S的，它有極高的載流子遷移率，可以通過(guò)外加電壓來(lái)隨意調(diào)控其電流91。石墨烯已用于高頻射頻模擬晶體管中，截止頻率可達(dá)數(shù)百兆赫，這充分利用了石墨烯的高遷移率和高跨導(dǎo)68-70,91。但是石墨烯沒(méi)有帶隙，這意味著它不能實(shí)現(xiàn)低的關(guān)態(tài)電流，這限制了它在數(shù)字邏輯晶體管中的應(yīng)用。所以對(duì)于新的納米電子材料的需求非常明確，這類材料要有一定尺寸的帶隙來(lái)支持高的開關(guān)比，同時(shí)又要保持高的遷移

38、率并可以擴(kuò)展到更小的尺寸。對(duì)于下一代電子器件來(lái)說(shuō)，柔性和也是必需的特性。研究現(xiàn)在正在轉(zhuǎn)向?qū)?TM作為帶隙可調(diào)的超薄材料，這類材料可以用于高開關(guān)比的場(chǎng)效應(yīng)管中34,98。與傳統(tǒng)的三維電子材料相比，二維半導(dǎo)體材料，如MoS2 以及其他二維材料都具有一個(gè)重要的優(yōu)勢(shì)：具有亞納米的厚度。通常它們的帶隙范圍在 1-2eV，這使它們具有高的開關(guān)比，而極薄的厚度使之更易于通過(guò)開關(guān)來(lái)控制99，并可以減小短溝道效應(yīng)和耗散功率，這剛好是限制晶體管最小化的主要。1.4.2輸運(yùn)及散射機(jī)制在二維 TM層中，載流子的輸運(yùn)和散射被局限于材料的平面內(nèi)。載流子的遷移率主要受到以下散射機(jī)制的影響100,101：（i）聲學(xué)和光學(xué)聲子

39、散射；（ii）電荷雜質(zhì)處的散射；（iii）表面界面聲子散射；和（iv）粗糙度散射。這些散射機(jī)制影響遷移率的程度主要取決于層厚度、載流子密度、溫度、載流子有效質(zhì)量、電子能帶結(jié)構(gòu)和聲子結(jié)構(gòu)。這些散射機(jī)制中，大部分在其他的半導(dǎo)體材料和石墨烯中也存在102,103。子的遷移率越來(lái)越受聲子散射的影響104。隨著溫度升在二維 TM中，金屬原子和硫族原子間存在部分離子鍵，晶體變形可以產(chǎn)生極化域而與散射電子發(fā)生相互作用。通過(guò)第一性原理計(jì)算，Kaasbjerg 等給出了單層 MoS 中由溫度決定的電子遷移率104，其中2僅取決于聲子散射的遷移率隨聲學(xué)和光學(xué)聲子散射總體影響而發(fā)生變化。在低溫處(T200cm2V-

40、1s-1，并且擺幅可達(dá) 74mV/dec34。頂柵的幾何結(jié)構(gòu)允許降低開關(guān)設(shè)備時(shí)必要的電壓，并且允許多個(gè)器件集成在同一襯底上。在這個(gè)器件中使用了高-k 介電材料，HfO2，正如之前的介電工程，該材料可以提高單層 MoS 的遷移率106,107,116,117。高-k 材料作為頂柵也被用于 p-型場(chǎng)效2應(yīng)管中，該器件利用單層WSe2片作為溝道，其室溫空穴遷移率為250cm2V-1s-1，106118。基于擺幅約為 60mV/dec，并且開關(guān)比為液相剝離 MoS 的薄膜場(chǎng)效應(yīng)管具有相近的電學(xué)性質(zhì)119，并且可能用2于柔性的、透明的、二維電子學(xué)應(yīng)用中。正如之前描述的那樣，可以獲得大面積樣重要的。MoS

41、2 的CVD法的發(fā)展對(duì)于器件的晶片規(guī)模制造是同由于其原子尺度的厚度，單層MoS2 晶體管性能的理論模擬量化了 MoS 對(duì)于短溝道效應(yīng)的預(yù)期恢復(fù)能力82,98。這些理論計(jì)算表明溝道2寬度為 15nm 的頂柵 MoS 晶體管可以在開電流高達(dá) 1.6mAm-1 的彈道2擺幅接近 60mV/dec 且電流開關(guān)比為 1010。盡管在遷移區(qū)工作，率值上MoS2 不能與傳統(tǒng)的III-V 晶體管相比，但是它具有好的電學(xué)性能、相對(duì)高的地球豐度和高的靜電控制程度，因此可以用于低功耗電子器件中98。Radisavljevic 等人近期，他們可以建立基于多重二維TM晶體管的多功能電子電路，該電路能夠進(jìn)行數(shù)字邏輯運(yùn)算3

42、5。通過(guò)光刻可多個(gè)電極圖案，因此可將多達(dá)六個(gè)獨(dú)立可切換的晶體管設(shè)置在同一塊單層MoS2 片上。一個(gè)集成電路由在同一片MoS2上的兩個(gè)晶體管組成，該電路作為一個(gè)邏輯反相器可將邏輯 0 轉(zhuǎn)變?yōu)檫壿?1，并可作為一個(gè)邏輯非門，這樣的通用門可以形成所有其他邏輯運(yùn)算120。Wang 等近期也了一個(gè)基于雙層 MoS 的復(fù)雜2邏輯電路，該邏輯電路包括轉(zhuǎn)換器、邏輯與非門，靜態(tài)隨機(jī)存取器和五級(jí)環(huán)形振蕩器121。在一個(gè)薄的（10nm 厚）MoS2 電雙層晶體管中存在雙極輸運(yùn)，該晶體管利用離子液體作為柵極，可以獲得極高的載流子濃度，約為 11014cm241。n-型和 p-型輸運(yùn)同時(shí)存在，這可以應(yīng)用于 CMOS 邏

43、輯器件和 p-n 結(jié)光電器件中。器件的開關(guān)比大于 200，但是比之前描述的單層器件要低34，這主要是由通過(guò)片體的光電流引起的41。1.4.4二維材料電子學(xué)發(fā)展方向近期，半導(dǎo)體二維 TM在高性能柔性電子器件中應(yīng)用前景廣泛。對(duì)于單層 MoS2 的機(jī)械測(cè)試表明，它的強(qiáng)度近似于鋼鐵的 30 倍，并且在破碎之前形變可高達(dá) 11%33。這使得 MoS 成為最強(qiáng)的半導(dǎo)體材2料之一并可用在柔性襯底上。采用電化學(xué)鋰化和剝離的MoS2 柔性晶體管可作為氣體傳感器122，CVD 生長(zhǎng)的 MoS 柔性晶體管也有，結(jié)合2而且該器件采用了離子凝膠柵極介電層123。半導(dǎo)體二維 TM其他二維材料，如導(dǎo)電石墨烯、絕緣 BN 等

44、可以在柔性襯底上形成復(fù)雜的全二維電子器件。另一個(gè)潛在的應(yīng)用是將二維 TM類似物用在高電子遷移率晶體管中（HEMT），該器件通常由具有不同帶隙的半導(dǎo)體平面結(jié)組成，如 GaAs 和 AlGaAs，構(gòu)筑過(guò)程中使用了分子束蒸發(fā)技術(shù)124。在這些器件中，小帶隙半導(dǎo)體為重?fù)诫s，而大帶隙半導(dǎo)體未摻雜，這樣當(dāng)兩層相互接觸時(shí)電子從摻雜層流向未摻雜層并且移動(dòng)，同時(shí)伴隨來(lái)自摻雜劑很小的散射。TM也可以應(yīng)用在這樣的器件結(jié)構(gòu)中，因?yàn)椴煌?TM具有一定范圍的帶隙和相近的晶格參數(shù)83，它們比當(dāng)前的材料更豐富且易于加工。在二維 TM高電子遷移率晶體管中，高摻雜的 TM反向偏置的與未摻雜的層相接合，柵極通過(guò)器件調(diào)控信號(hào)通常是

45、一個(gè)接觸。而某些方面卻限制了 TM在電子器件中的應(yīng)用，這包括相對(duì)高的載流子有效質(zhì)量和相對(duì)低的載流子遷移率98，這可能會(huì)限制某些高性能應(yīng)用。研究的另一個(gè)方向是堆疊不同的二維層狀材料形成垂直的異質(zhì)結(jié)構(gòu)和雜化器件，其工作原理不同于傳統(tǒng)的器件。近期，一個(gè)新的器件結(jié)構(gòu)稱為場(chǎng)效應(yīng)隧道晶體管被提出來(lái)，在該器件中兩個(gè)獨(dú)立控制的石墨烯層被一薄層 MoS2 或六角氮化硼（h-BN）分隔開作為隧道壁壘，因此實(shí)現(xiàn)了高的開關(guān)比125。1.4.5光電子學(xué)光電子器件是一種可以產(chǎn)生、檢測(cè)、交互或控制光的電子器件。納米材料如碳納米管、半導(dǎo)體量子點(diǎn)和納米線在很多研究中都被用于光電子器件中，如激光器、發(fā)光二極管、能電池、光開關(guān)、光

46、探測(cè)器和顯示器96,126-128。柔性透明的光電子器件在能電池陣列、可穿戴電子器件和透明顯示方面變得日益重要。半導(dǎo)體的電子能帶結(jié)構(gòu)直接影響了它們吸收和發(fā)射光的能力。對(duì)于直接帶隙半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，其光子能大于帶隙能，使之容易吸收或發(fā)射光。而對(duì)于間接帶隙，需要額外吸收或發(fā)射光子來(lái)供應(yīng)動(dòng)量差，這使得光子的吸收和發(fā)射過(guò)程效率較低。由于單層 TM大部分具有直接半導(dǎo)體帶隙，因此可以應(yīng)用電子器件中，并且由于其原子薄層的厚度和易于加工性，它們可以用于柔性和透明光電子器件中。1.4.6光學(xué)和振動(dòng)性質(zhì)之前描述過(guò) TM的電子能帶結(jié)構(gòu)可以直接影響它們的光學(xué)性質(zhì)。對(duì)于 MoS2，帶隙由間接轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯右约皫赌艿脑黾涌梢酝ㄟ^(guò)

47、觀察光電導(dǎo)、吸收光譜和光致發(fā)光的變化而得出25,31,32。從體材料到單4層 MoS ，這種轉(zhuǎn)變導(dǎo)致光致發(fā)光量子產(chǎn)率增加了 10 倍，對(duì)于懸在襯2底孔洞中的 MoS 單層片區(qū)域甚至可以得到更高的量子產(chǎn)率31。但是2至今所測(cè)得的全部 MoS 量子產(chǎn)率為：對(duì)少層樣品是 10-5-10-6，對(duì)單層2樣品是 410-331，這明顯低于期望的直接帶隙半導(dǎo)體近值。在懸浮樣品和h-BN 襯底上的樣品觀察到的量子效率要高于 SiO2 上的樣品，這意味著需要的工作來(lái)理解和控制MoS2 以及其他TM的猝滅機(jī)制，并且增加量子效率以備未來(lái)的光電子應(yīng)用。在單層MoS2 光致發(fā)光光譜中的主要峰是直接帶隙的發(fā)光特征，位于

48、1.9eV，而在少層 MoS2 中還存在另外的峰，即間接帶隙發(fā)光和直接帶隙熱發(fā)光31。TM的光電導(dǎo)也影響了它們的帶隙結(jié)構(gòu)特征，如MoS2 的光電流隨著光子能逐漸增加，光子能對(duì)應(yīng)于直接和間接帶隙能31。MoS體材料的光吸收光譜展示出了兩個(gè)主要的峰，分別對(duì)應(yīng)2子能帶，即所謂的 A 和 B 激子：在區(qū) K 點(diǎn)的直接帶隙躍遷，布的價(jià)帶頂和導(dǎo)帶底31,32,129。計(jì)算表明 A 和 B 激子與所里淵區(qū)位于預(yù)期的 K 點(diǎn)帶隙能一致，這里的能帶是由在單層MoS2 中的自旋軌道耦合引起的130。計(jì)算還表明，由于介電常數(shù)減小以及二維約束，與體材料相比激子結(jié)合能相當(dāng)高：?jiǎn)螌覯oS2 為0.897eV，雙層MoS2

49、為 0.424eV131。還注意到，在這些計(jì)算中，激子躍遷能量被激子結(jié)合能抵消，因此制造一個(gè)激子所需的能量會(huì)低于帶隙能量，并且光學(xué)躍遷能量不等同于帶隙能量。通過(guò)第一性原理已計(jì)算了 MoS 和 WS 的聲子分布132，并且在22光譜相關(guān)30。主要的E1MoS 中該分布與實(shí)驗(yàn)上的峰為面內(nèi)22gcm-1 附近的 A和 E 激子模，以及面外 A 模。隨著層數(shù)減少，4061u1g1g模頻率減小，而 382cm-1 附近的 E1 模增加30，這些峰位置的轉(zhuǎn)變使得2g層厚度可以通過(guò)光譜來(lái)辨認(rèn)。這些轉(zhuǎn)變是通過(guò)相鄰層對(duì)于原子有效恢復(fù)力的影響，以及長(zhǎng)程相互作用介電的增加來(lái)判斷的。1.4.7柔性和透明光電子學(xué)在應(yīng)用

50、中實(shí)現(xiàn)柔性和透明光電子學(xué)，如顯示和可穿戴，需要各種各樣的透明和柔性組分，如導(dǎo)體，半導(dǎo)體，光吸收體，發(fā)光體和電介質(zhì)。這些不同的功能需要結(jié)合具有不同性質(zhì)的不同類別二維材料。對(duì)于透明導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，石墨烯的高導(dǎo)電性和低的寬帶吸收使它成為當(dāng)前比較有前景并且產(chǎn)量豐富的材料，它可以用于替換當(dāng)前的主導(dǎo)材料銦錫氧化物，而由于銦的稀少，這種材料也日益昂貴且不實(shí)用。作為帶隙可調(diào)的半導(dǎo)體組分，二維 TM是一種很有前途的選擇，它們可以制成光吸收元件或發(fā)光器件。至于二維介電材料，如層狀鈣鈦礦和 BN也是很有希望的。1.4.8光伏以及光探測(cè)TM的地球豐度相對(duì)較高并且直接帶隙在可見(jiàn)光范圍內(nèi)，這使它們非常具有，這類材料可以作為薄膜

51、能電池中的吸光材料137，特別是用于可穿戴和具有彎曲結(jié)構(gòu)的柔性光伏器件中。一些TM的功函和價(jià)帶、導(dǎo)帶邊與常用的電極材料的功函非常匹配138-140。此外，通過(guò)不同的插層可以調(diào)節(jié) TM的帶隙，如金屬離子插層或有機(jī)分子插層141,142，這種能力也可以同時(shí)調(diào)控光伏器件中的光吸收譜。在光伏電池和光探測(cè)器中 TM扮演了各種不同的角色。MoS2和 WS 薄膜是光敏性的143，一個(gè)由單層 MoS 所的光電晶體管已經(jīng)22可以作為一個(gè)光電探測(cè)器來(lái)使用39。器件中的光電流取決于入射光的強(qiáng)度，對(duì)于每個(gè)級(jí)別的光強(qiáng)響應(yīng)時(shí)間均在 50ms 以內(nèi)且光敏度非常高。通過(guò)使用不同厚度的 MoS2，可以實(shí)現(xiàn)不同波長(zhǎng)光的檢測(cè)。Le

52、e 等通過(guò)研究表明帶隙分別為 1.8 和 1.65eV 的單層和雙層 MoS2 可以有效的檢測(cè)綠光，而帶隙為 1.35eV 的三層 MoS 更適于檢測(cè)紅光144。近期2的體異質(zhì)結(jié)能電池展現(xiàn)出了 1.3%的光轉(zhuǎn)化效率，該電池由TiO2量子點(diǎn)、MoS 原子層納米片和聚（3 -己基噻吩）（P3HT）所組成145。2同樣的，在電化學(xué)能電池中，WS2 可以用作一種穩(wěn)定的無(wú)機(jī)吸收146,147材料來(lái)TiO。TM也被證明可以作為導(dǎo)體和電子阻擋層而2用于聚合物發(fā)光二極管中（LEDs）53,148。文獻(xiàn)了將具有不同帶隙的材料結(jié)合在兩個(gè)器件中來(lái)多波結(jié)能電池，該電池像其他能電池一樣可以有效吸收全段中不同能量的光子，

53、減少熱量造成的損失149。這些結(jié)構(gòu)可能通過(guò)結(jié)合具有不同帶隙的不同 TM來(lái)建造，帶隙范圍從可見(jiàn)到近紅外。之前過(guò)的層數(shù)決定的光探測(cè)器展示了如何通過(guò)調(diào)整帶隙來(lái)優(yōu)先吸收不同波長(zhǎng)的光144。1.4.9光發(fā)射電致發(fā)光和光致發(fā)光是兩個(gè)重要的類別。在電致發(fā)光中，光子是電刺激反應(yīng)發(fā)出的；這種模式被用在如 LEDs 和激光二極管一類的光電器件中。在光致發(fā)光中，物質(zhì)吸收光子然后再輻射出一個(gè)光子，有時(shí)光子能量不同。在直接帶隙半導(dǎo)體中，電子和空穴的輻射復(fù)合產(chǎn)生光子，該過(guò)程比間接帶隙半導(dǎo)體更高效。單層半導(dǎo)體 TM為直接帶隙，使它們可以成為未來(lái)柔性光電器件中的理想活性發(fā)光層材料，這與石墨烯不同，因?yàn)槭](méi)有帶系，需要化學(xué)

54、處理才能誘導(dǎo)局部帶隙即光致發(fā)光150,151。TM中電致發(fā)光的例子很多，包括利用 Au 納米接觸通過(guò)電激發(fā)使 MoS 發(fā)光152，通過(guò)將鋰插層法剝離的 SnS 嵌入22一個(gè)復(fù)合材料聚合物基體中實(shí)現(xiàn)電致發(fā)光56。在單層 MoS 中可以觀2察到光致發(fā)光，單層MoS2 具有直接帶隙，因此光致發(fā)光量子產(chǎn)率要高于雙層 MoS 和 MoS 體材料32,49。正如之前提過(guò)的，在單層 MoS 中222測(cè)得的光致發(fā)光量子產(chǎn)率要比直接帶隙半導(dǎo)體中的預(yù)期值低很多，因此在可以光。柔性的光電器件之前，需要的工作來(lái)理解光致發(fā)1.5自旋、軌道和谷的相互作用電子和自旋器件分別利用電子電荷和自旋來(lái)傳遞信號(hào)。谷折射率是電荷載流子

55、的另外一種需要探索的性質(zhì)，它是指對(duì)在導(dǎo)帶底或價(jià)帶頂相同能量，動(dòng)量空間中不同位置的電子或空穴的限制，可以用于潛在的谷電子器件中153。材料具有強(qiáng)自旋劈裂是由很多不同影響引起的，這些影響可能推動(dòng)體系失去平衡，或者是由于對(duì)稱性被打破引起的，這使得材料的自旋極化載流子數(shù)量保持不變，因此是自旋電子器件中所必要的。在第 IV族半導(dǎo)體硫族化合物中（MoS2, MoSe2, WS2 和 WSe2），在一個(gè)特定條件下，可以產(chǎn)生強(qiáng)自旋軌道誘導(dǎo)的電子能帶153和自旋谷耦合。不像中心對(duì)稱的石墨烯和雙層 MoS ，單層 TM如 MoS 缺22乏反演對(duì)稱性153。在 MX 材料中缺乏反演對(duì)稱性、電子運(yùn)動(dòng)限制于面2內(nèi)、元素

56、質(zhì)量高導(dǎo)致了很強(qiáng)的自旋軌道劈裂，其中價(jià)帶范圍在0.15-0.45eV 之間154。這剛好與石墨烯相反，在石墨烯中，碳元素質(zhì)量很小，因此自旋軌道相互作用很弱。MX2 材料具有很強(qiáng)的自旋因此可以用于自旋電子器件中。，缺乏反演對(duì)稱性且具有強(qiáng)的自旋軌道耦合也可以導(dǎo)致自旋和谷物理的耦合153。在單層 MoS 中已經(jīng)觀察到了谷限制效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，2在不同谷中的載流子群可以通過(guò)圓偏振光激發(fā)樣品來(lái)控制，該現(xiàn)象在三個(gè)不同的實(shí)驗(yàn)組中都已觀察到26-28。這一發(fā)現(xiàn)可能是谷電子器件的一個(gè)新領(lǐng)域中的第一步155,156。在 TM中這些自旋、軌道和谷的性質(zhì)明顯不同，因此可能具有一些無(wú)法預(yù)見(jiàn)的應(yīng)用。1.6分子傳感應(yīng)用由于 TM

57、具有電子、光電子和化學(xué)性質(zhì)，所以這類材料可以應(yīng)用于分子傳感領(lǐng)域。作為二維材料，大的表面-體積比使得它們對(duì)于周圍環(huán)境的改變非常敏感。當(dāng)于氣體和蒸汽中時(shí)，電子轉(zhuǎn)移和摻雜、插層、介電常數(shù)和晶格振動(dòng)都可能發(fā)生改變。舉例來(lái)說(shuō)，基于石墨烯場(chǎng)效應(yīng)管的氣體傳感器靈密度高且噪聲很低。檢測(cè)機(jī)制是由于吸附的分子將電荷轉(zhuǎn)移給石墨烯并改變了它的電阻157-159。由吸附物引起的TM電學(xué)性質(zhì)變化可以通過(guò)將TM晶體光管器件并測(cè)試電流-電壓行為或者通過(guò)光致發(fā)光譜、吸收譜、Li+會(huì)引起 MoS峰 A 和 E1 峰位上移且峰譜來(lái)檢測(cè)。例如，21g2g強(qiáng)減小，可能是由于 Li+進(jìn)入間隙位置引入了應(yīng)力造成的74,160。單層MoS2

58、 的光致發(fā)光也可用于生物傳感，其中穩(wěn)定的熒光標(biāo)記物對(duì)成像和熒光檢測(cè)來(lái)說(shuō)是非常重要的。單層或少層 MoS2 晶體管已證明可以用作 NO 氣體的靈敏檢測(cè)裝置161。檢測(cè)機(jī)制可能是由于吸附的 NO 引起的 p-摻雜，改變了本來(lái)是n-摻雜 MoS2 的電阻。同樣的，柔性的薄膜晶體管也可作為 NO2 氣體的靈敏檢測(cè)器122，其中敏感區(qū)域由電化學(xué)鋰化與剝離技術(shù)50 所得的MoS2 組成。由液相剝離制得的 VS2 納米片所的薄膜濕度傳感器可一個(gè)傳感器陣列中用于檢測(cè)手指的濕度40。這些傳感器中導(dǎo)電以性由水分子調(diào)控，水分子抑制了沿著邊緣處 V 原子的導(dǎo)電性40。MoS2晶體管也展現(xiàn)出了在電流-電壓行為中由濕度決

59、定的磁滯現(xiàn)象，這可能是由于水分子容易吸附在親水的致的162。最后，在電化學(xué)電池中，MoS2 表面并被應(yīng)用的電壓極化導(dǎo)MoS 片的玻碳電極可能被電2化學(xué)還原，而這種被還原的材料對(duì)葡萄糖和生物分子如多巴胺展現(xiàn)出了電化學(xué)敏感性163。1.7二維材料的未來(lái)發(fā)展層狀 TM已被研究探索數(shù)十年了，但是作為原子薄層的二維材料，其性質(zhì)相對(duì)新穎而且對(duì)于納米技術(shù)領(lǐng)域非常引人矚目，這類材料在納米電子和光電子方面有很多有前景的應(yīng)用。TM中許多成員都具有大的帶隙，因此在邏輯晶體管的溝道材料中非常具有吸引力，而且一些單層 TM為直接帶隙，這在光電子領(lǐng)域的應(yīng)用前景可高開關(guān)比的晶體管，也可用于邏輯運(yùn)算觀。二維MoS2 可以用來(lái)

60、集成電路中，還可以用作化學(xué)和氣體傳感器。一些與眾不同的性質(zhì)如谷極化和強(qiáng)的自旋軌道效應(yīng)也有。在研究二維 TM的物理和化學(xué)性質(zhì)時(shí)，研究者可以借鑒以前對(duì)于 TM體材料的研究，包括插層化學(xué)和材料與表征，以及碳管和石墨烯的器件和納米級(jí)性質(zhì)的表征。但是二維 TM有許多其他材料中未曾發(fā)現(xiàn)的不同性質(zhì)，然而研究用。更了解它們，肯定會(huì)有很多意想不到的和令人興奮的應(yīng)在未來(lái)的幾年中，這個(gè)領(lǐng)域的進(jìn)展將要求在樣品的可擴(kuò)展性和可控性方面有所突破，重點(diǎn)是出大量原子層厚度且均勻的TM層，無(wú)論是在溶液中還是襯底上。對(duì)于液相來(lái)說(shuō)，也具挑戰(zhàn)性，包括控制面積和厚度的方法，無(wú)論是剝離還是化學(xué)生長(zhǎng)的片，以及尋找新的方法和化學(xué)從而有效且安全