第一章绪论

1.1 引言

近十年来，具有原子厚度的二维材料得到科研工作者的广泛关注，这些二维材料包括石墨烯、氮化硼（BN）、过渡金属二硫簇化合物、黑磷稀等等。这类材料都可以通过它们对应的层状材料机械剥离来获得，对应的层状材料通过范德华尔兹力把每一层结合在一起，而在每个原子平面的内部则是通过一定的化学键键合而成。由于二维材料层间的耦合作用较弱，可以通过特定的方法制备不同原子层厚度的样品。2004年，曼彻斯特大学的A.K.Geim和K.S.Novoselov在实验中分离了单层石墨即石墨烯。与之随后的研究发现石墨烯具有一些非常好的特性，比如超高电子迁移率[1],良好的导热性能[2],这激发了研究者对其它二维半导体材料的研究热情。

1.2石墨烯简介

图1.2：石墨的结构(a),石墨烯的结构(b),石墨烯的狄拉克锥(c),石墨烯的能量带结构(d)。图片来自于[Nature,2005,438,197-200]。石墨烯是单碳原子组成的平面，原子平面内部的六角格子上分别有一个碳原子占据，以此紧密堆叠而成的蜂窝状结构,如图1.2(b)。由于石墨烯独特的晶体结构，使其具有很多良好的性质，比如高比表面积[3]，良好的导热性能[2]，在电学方面存在超高电子迁移率[1]，在光学方面具有高光学透过率。这些优良的特性使石墨烯的理论研究变得越来丰富，制备技术也不断完善，同时，石墨烯也成为凝聚态物理方面的研究新贵。

石墨烯具有独特的狄拉克锥电子结构，如图1.2(c)所示。这使得石墨烯呈现零带隙半金属特征,如图1.2(d)所示，从而，在狄拉克锥附近石墨烯电子的动量和能量呈线性关系[4]。而在倒空间K点附近呈现相对论特性，电子的有效质量为零，其运动速度高达光速的三千分之一[5]。Geim和Novoselov的研究还表明，石墨烯中电子迁移率能够达到200000cm2∙V-1∙s-1[6-8]且导电率能达到106s/m，这是在室温下导电性最好的材料[9]。而且电子在石墨烯中传输不容易发生散射，表明石墨烯拥有非常好的电子传输特性。由于超高的电子迁移率，基于石墨烯的电子器件可以拥有很快的光相应速率，这有助于制备高频光电子器件[10-12]。美国科学家Ruoff等人解决了石墨烯在工业上材料制备难题[13-15]，成功制备均匀石墨烯薄膜。在光学性质方面，单层石墨烯的透光率有97.7%，近乎透明，这表明石墨烯有非常好的透光性[16]。此外，石墨烯是目前最好的热导材料和最坚韧的材料，拥有很高的机械强度和热传导率[17-21]。

然而，石墨烯具有独特的零带隙能带结构，这大大限制了其在电子原件方面的应用[22]。一般好点的电子器件需要材料拥有一定量的带隙。而石墨烯晶体管表现出的双极性，使得其开关比只有10左右，并且往往伴随着很大的漏电流[4]。因此石墨烯只能在信噪比要求不高的高频器件中得到应用，而在数字电路和逻辑器件中缺看不到其身影[23,24]。

1.3二硫化钼简介

图1.3：二硫化钼的结构。图片来自于[NanoLett.,2010,10,1271]。石墨烯具有很好的电子传输特性，但是其没有合适的带隙，这一特点局限了它的实际广泛应用。于是，研究者开始寻找一种有合适带隙的类似材料。很快，研究者找到了二硫化钼这种材料，其结构如图1.3所示。单层的二硫化钼具有约1.7eV的直接能量带隙[25]，并且表现出优越的场效应和光电响应特性[26,27]。单层二硫化钼合成的场效应晶体管的开关比能达到数十万，这解决了单层石墨烯晶体管漏电流过大的重要问题，有效降低器件的功耗水平[28,29]。但是单层的二硫化钼相较于多层的二硫化钼，前者的电子迁移率远不及后者，这方面也削弱了单层二硫化钼作为半导体材料的能力[30]。因为二硫化钼不能在有直接带隙的同时保持高电子迁移率，这使得研究者希望能构找到既拥有直接带隙又具有高电子迁移率两种特性的优良材料。在这样的目的下，研究者寻找到了这样的半导体材料即黑磷稀。