利用低温溶剂热法研究MoSe2/Al肖特基界面的电荷传输与介电特性

《Journal of Alloys and Compounds》：Understanding Charge Transport and Dielectric Characteristics of MoSe2/Al Schottky Interfaces Using a Low-Temperature Solvothermal Method

　　

作者：Pubali Das、Animesh Layek、Partha Pratim Ray

印度加尔各答贾达普尔大学物理系，邮编700032

摘要

本研究报道了通过简单的一步溶剂热法合成的MoSe₂纳米结构的温度依赖性结构、光学和电学性质，以及它们在Al/MoSe₂肖特基结中的性能。详细的表征显示，每种材料都由初级纳米片聚集形成的多晶球形聚集体组成。研究观察到，将合成温度从180?C降低到120?C时，平均粒径显著增加，同时结晶度指数从85.21%提高到88.05%，材料的性质也发生了显著变化。电子跃迁发生了有趣的变化：在180?C时，晶格畸变导致直接允许的跃迁（n = 0.504），而在120?C时，刚性高对称性的晶格使得跃迁变为直接禁止的跃迁（n = 1.559）。从MoO₃前体在150?C下合成MoSe₂显示出高效且成功的转化过程。电学表征表明，MS150样品具有最佳性能，实现了最低的光学带隙、最小的肖特基势垒高度以及理想的传输行为（理想因子为1.49）。通过对MoSe₂/Al界面的电荷传输机制进行分析，不仅使用了I-V特性，还进行了阻抗谱分析，以确保更好的界面形成。这些结果得出结论，150?C的合成温度优化了结晶度和粒径之间的平衡，为开发基于MoSe₂的肖特基二极管和宽带近红外（NIR）光电器件提供了高性能路径。

引言

过渡金属硫属化物（TMDs）由于其窄带隙而受到了广泛关注，这使它们在电子学、光电子学和能源器件等领域具有广泛的应用前景[1]、[2]、[3]。研究表明，较少研究的硒化物在某些方面可能优于硫化物，包括更低的带隙（MoSe₂为1.5 eV，而MoS₂为1.9 eV）、更窄的线宽以及可调的激子充电效应[4]。在特定情况下，这种激子充电行为可能表现出量子化的充电特性，这可能会影响材料的整体电荷载流子动力学。这种效应对于理解和控制光催化剂、电子和光电器件中的电荷传输和分离尤为重要。二硒化钼（MoSe₂）具有“三层”结构，顶部和底部为Se层，中间为Mo层[5]。在多层结构中，Se原子通过弱的范德华力相互作用。随着厚度的减小，MoSe₂的带结构从间接跃迁（如块状晶体）变为直接跃迁（如单层），同时带隙从1.1 eV增加到1.5 eV[6]。由于其可调特性，MoSe₂适用于多种电学和光学应用。

通过修改纳米材料的独特物理和化学性质，可以调节其尺寸、形状、组成和表面特性，从而提高性能并开发新的应用。优越的表面积、可调的光学和磁学特性、更高的机械强度、增强的催化活性以及改善的电学和热导率是调节的主要优势。可以通过改变合成工艺、合成条件或简单地更换用于合成目标材料的前体等方式来调节材料。

纳米材料的溶剂热合成及其性质受多种因素或限制的影响，例如溶剂类型、环境温度、周围压力、合成时间等。1999年，H Ghobarkar和O Sch?f阐述了由于合成温度变化导致的陶瓷结构变化[7]。C. R. Kothapalli等人在2005年[8]讨论了由于合成过程中环境温度变化而导致的纳米级羟基磷灰石的机械和结构性质变化。

MoSe₂的合成及其作为半导体的应用仍然是科学家和研究人员的挑战性课题。人们付出了巨大努力，从各种化学试剂中制备出潜在的MoSe₂纳米材料。2001年，Chen和Fan[9]使用水溶液中的亚硒酸钠和钼酸钠在150°C下成功合成了MoSe₂纳米晶体。有关使用钼酸钠[10]、[11]、[12]、[13]进行MoSe₂的水热/溶剂热合成的报道。然而，此前很少有关于在180℃以下从三氧化钼（MoO₃一步合成MoSe₂的报道[14]、[15]。

考虑到上述所有因素，我们提出了一种在三种相对较低温度下进行MoSe₂简单一步溶剂热合成的方法。对于查询，除了使用MoO₃在180℃合成的样品外，还通过保持低于180℃的两种不同温度（分别为150℃和120℃）合成了另外两个样品。通过不同的性质分析和使用合成材料制造的M-S结的详细性能研究，对材料的潜在适用性进行了彻底测试。然而，设备的特性说明均基于电流-电压（I-V）和阻抗谱（I-S）数据。

章节片段

材料与方法

合成过程中使用的所有化学品均从Loba Chemicals商业购买，合成前未进行进一步纯化。

MoSe₂纳米结构是通过传统的一步溶剂热过程制备的。首先，向含有40 ml乙醇的烧杯中加入1 mmol三氧化钼（MoO₃），搅拌至获得均匀的白色溶液（溶液I）。在另一个烧杯中，加入2 mmol硒（Se）粉末和约10 ml肼水合物（N

结构分析

通过场发射扫描电子显微镜（FESEM）技术观察了所得样品的结构。图1(a)、1(b)和1(c)分别显示了MS180、MS150和MS120样品的FESEM图像。这些图像展示了每种情况下颗粒的球形形状。在像MoSe₂这样的过渡金属硫属化物中，球形通常不是固体结构，而是许多纳米片或薄片的聚集体，它们聚集在一起以降低表面能。

结论

总之，通过简单的溶剂热过程，在180?C至120?C的温度范围内成功合成了六方形的MoSe₂纳米/微球。即使在120?C的低温下，也成功生长出了颗粒，且没有发生相变。通过PXRD和FESEM的结构研究发现了原子排列与形态之间的明显相互作用。不同的特性分析表明，材料的性质随尺寸变化而变化，且存在

CRediT作者贡献声明

Pubali Das：撰写——原始草稿、方法论、研究、资金获取、正式分析、数据管理、概念构思。Layek Dr. Animesh：撰写——审阅与编辑、监督。Ray Dr. Partha Pratim：撰写——审阅与编辑、监督、资金获取。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Pubali Das表示获得了印度科技部的财政支持。Pubali Das与印度坎普尔理工学院（Kanpur Institute of Technology）有合作关系，包括资金资助。如果还有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系。

致谢

Pubali Das博士希望感谢科技部在本研究期间提供的INSPIRE奖学金。Pubali Das博士还感谢她目前的所在机构——印度坎普尔理工学院（IIT Kanpur, Kanpur-208016）的支持。Animesh Layek博士衷心感谢印度加尔各答贾达普尔大学（Jadavpur University, Kolkata-700032）在启动项目上的财政支持。