MoS2/Au 納米花復(fù)合結(jié)構(gòu)的物性研究

陳宣羽

(長(zhǎng)春理工大學(xué) 理學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春130022)

1 概述

隨著石墨烯的研究與發(fā)現(xiàn)，二維材料逐漸受到科研人員的廣泛關(guān)注。二硫化鉬（MoS2）作為過(guò)渡金屬硫化物不僅與石墨烯具有相同的層狀結(jié)構(gòu)，其層內(nèi)原子間形成共價(jià)鍵，并且層與層之間由較弱的范德華力相連接[1]。與石墨烯不同的是，MoS2作為一種半導(dǎo)體材料，其帶隙可以在1.29eV～1.90eV 間調(diào)節(jié)。當(dāng)MoS2是體材料時(shí)，它是帶隙為1.2eV 的間接帶隙半導(dǎo)體材料，隨著MoS2的層數(shù)逐漸減少，導(dǎo)致MoS2的間接帶隙寬度逐漸變大，當(dāng)MoS2的層數(shù)減少至單層時(shí)，MoS2直接轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訋栋雽?dǎo)體材料[2]。也就是說(shuō)，當(dāng)MoS2的層數(shù)從體材料變成單層時(shí)，它的禁帶寬度會(huì)從1.29 eV 變成1.90eV，其本身也會(huì)由間接帶隙半導(dǎo)體材料轉(zhuǎn)變成直接帶隙半導(dǎo)體材料。通過(guò)MoS2的帶隙可調(diào)的特性，使得MoS2在光電器件方面擁有很大的應(yīng)用前景。隨著科技發(fā)展，MoS2不僅在光電器件方面應(yīng)用廣泛，其在其他方面也有著很好的發(fā)展前景如：潤(rùn)滑劑、催化劑、場(chǎng)效應(yīng)晶體管、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境污染監(jiān)測(cè)等方面。

圖1

由于MoS2獨(dú)特的物理、化學(xué)性質(zhì)使得它在光、電等方面受到廣泛的關(guān)注，其制備方式也各有優(yōu)缺點(diǎn)。水熱法可以通過(guò)改變反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間等條件對(duì)樣品進(jìn)行可控生長(zhǎng)，它的優(yōu)點(diǎn)是樣品結(jié)晶性好、團(tuán)聚較少、純度較高、尺寸小、生長(zhǎng)可控等優(yōu)點(diǎn)，所以本文選擇通過(guò)水熱法制備MoS2。盡管MoS2在諸多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但單一MoS2材料畢竟性能有限，為了提高M(jìn)oS2的性能，我們選擇作為貴金屬的Au 通過(guò)熱還原法與MoS2納米花復(fù)合，并對(duì)復(fù)合后的復(fù)合材料進(jìn)行物性研究。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 材料

鉬酸鈉(Na2MoO4,分析純，天津市興復(fù)精細(xì)化工研究所)，硫脲(CH4N2S,分析純，北京化工廠)，十六烷基三甲基溴化銨(CTAB,分析純，北京化工廠)，鹽酸(HCL,分析純，北京化工廠), 氫氧化鈉(NaOH,分析純，北京化工廠),去離子水(18.2 MΩ·cm)。

2.2 MoS2/Au 納米花復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備

首先稱取0.9gNa2MoO4、1.2g CH4N2S、0.55gCTAB 依次放入40ml 去離子水中攪拌20min，將其攪拌均勻后，用鹽酸和氫氧化鈉調(diào)節(jié)溶液PH 至8，然后將溶液倒入反應(yīng)釜中，210℃反應(yīng)36h，反應(yīng)結(jié)束后，使用去離子水、無(wú)水乙醇洗滌三次，將離心出來(lái)的沉淀放入干燥箱60℃干燥即可得到MoS2黑色粉末。

將6.5×10-4M的MoS2溶液倒入一定濃度的沸騰的HAuCl4·4H2O 水溶液中攪拌10 分鐘，待溶液再次沸騰后停止加熱冷卻到室溫后依次用去離子水、無(wú)水乙醇洗滌后離心，將得到的黑色沉淀放入干燥箱60℃干燥10h，即可得到MoS2/Au 納米花復(fù)合結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)果與討論

3.1 形貌表征

為了研究所制備的MoS2與MoS2/Au 納米花復(fù)合結(jié)構(gòu)的表面形貌特征，我們對(duì)其進(jìn)行了SEM、TEM形貌分析。如圖1（a）所示為MoS2納米花的SEM圖，從圖中可以看出我們制備的MoS2納米花由一片片不同方向花瓣?duì)畹腗oS2納米片構(gòu)成，并且MoS2納米花的尺寸在2-3μm 左右。由于是水熱法制備的MoS2納米花，所以不可避免會(huì)有團(tuán)聚現(xiàn)象。圖1（b）為MoS2/Au 納米花復(fù)合結(jié)構(gòu)的TEM圖，圖中顯示大量Au 納米粒子已成功的復(fù)合在了MoS2納米花的表面。

3.2 結(jié)構(gòu)表征

我們用XRD 對(duì)MoS2進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。如圖2 所示為MoS2納米花的XRD 圖譜。我們可以從圖中看到在 2θ 為13.91°、33.26°、39.74°、58.75°處出現(xiàn)四個(gè)MoS2的特征衍射峰，與MoS2的2H 型六方晶系標(biāo)準(zhǔn)卡對(duì)比，分別對(duì)應(yīng)MoS2（002）、（101）、（103）、（110）的晶面[3]，圖中（002）處的衍射峰最高且尖銳說(shuō)明我們制備的MoS2在合成過(guò)程中堆垛良好。并且除了這四個(gè)特征峰外，無(wú)其余雜峰出現(xiàn)，說(shuō)明我們制備的MoS2納米花較為純凈，無(wú)其余雜質(zhì)產(chǎn)生。

圖2 MoS2 納米花的XRD 譜

3.3 拉曼分析

我們利用532nm 激光對(duì)所制備的MoS2納米花及MoS2/Au納米花復(fù)合納米結(jié)構(gòu)的振動(dòng)模式進(jìn)行了拉曼分析，激發(fā)功率為30mW。圖3 為兩種結(jié)構(gòu)的拉曼光譜圖，其中E12g為面內(nèi)振動(dòng)模式、A1g為面外振動(dòng)模式[4]。二硫化鉬的E12g、A1g的峰位分別位于377.36cm-1、404.49cm-1，峰差為27.13cm-1，與文獻(xiàn)中的記錄進(jìn)行對(duì)比，可看出所制備出的MoS2納米花屬于體材料范圍。而MoS2/Au 納米花復(fù)合納米結(jié)構(gòu)的E12g、A1g的峰位分別紅移到378.87cm-1、405.49cm-1，均向高波段方向移動(dòng)，無(wú)其余雜峰且拉曼信號(hào)有所增強(qiáng)，這是由于Au 納米粒子的等離子體共振效應(yīng)所導(dǎo)致。

圖3 MoS2 納米花、MoS2/Au 納米花復(fù)合結(jié)構(gòu)的拉曼光譜圖

結(jié)束語(yǔ)

本文以鉬酸鈉為鉬源，硫脲為硫源，CTAB 為添加劑，去離子水為溶劑，用水熱法在210℃下成功制備出了MoS2納米花，并與熱還原法相結(jié)合將MoS2納米花與Au 納米粒子復(fù)合形成MoS2/Au 納米花復(fù)合結(jié)構(gòu)，并對(duì)此結(jié)構(gòu)進(jìn)行形貌、結(jié)構(gòu)表征和拉曼分析。結(jié)果表明我們制備的MoS2納米花形貌較好且較為純凈，并無(wú)其他雜質(zhì)產(chǎn)生，并且與Au 納米粒子成功復(fù)合形成MoS2/Au 納米花復(fù)合結(jié)構(gòu)。相比于單一MoS2材料，MoS2/Au 納米花復(fù)合結(jié)構(gòu)的性能有所增強(qiáng)。