二维半导体异质结的制备及其电催化性能文献综述

 2023-08-10 09:08
  1. 文献综述(或调研报告):

硫化物异质结

关于金属硫化物参与形成的异质结研究最多的主要是金属硫化物与硫族化合物(包括硫化物,氧化物及硒化物)形成的异质结。窄带隙金属硫化物如Ag2S、PbS、ZnS等可以吸收可见光,符合太阳能电池吸收层材料的要求,与宽带隙的金属氧化物(TiO2、ZnO等)复合形成异质结如TiO2/PbS,展现更优的光电性质,比如扩大可见光区的响应区域,甚至提高吸光率,促进光生载流子的分离和传输,可以组装成高效的太阳能电池器件。Bessekhouad等人通过沉淀法制备了Bi2S3-TiO2异质结,发现该异质结比纯TiO2的光学性质及光活性更好。

金属硫化物与金属硫(硒)化物形成的异质结研究较多的情况是核壳结构,它能够有效的提高载流子的分离和传输效率。1996年,Hines制备了量子效率为50%的CdSe/ZnS的核壳结构,得到稳定的荧光性质。Bawendi通过改变ZnS外壳的厚度研究了ZnS/CdSe的表面修饰对异质结光学性质的影响。异质结形貌的不同也会表现不同的光学性质,Weller等人报道了通过改变形貌来提高CdSe/CdS异质结的光学性质。Shen 制备了火柴杆状Ag2S/ZnS异质结,火柴杆的头和杆分别是零维的Ag2S和一维的ZnS,该异质结在紫外和近红外区域有较好的荧光性质。

二维过渡金属硫化物(TMDCs)

2004年石墨烯的发现使得二维层状纳米材料开始受到广泛关注,其中,石墨烯和层状二维过渡金属硫化物(TMDCs),由于其独特的单层状结构,使其拥有优异的物理化学特性,特别是在电化学诸如储能、催化和光电等方面的性能,因此逐渐成为研究热点。相较于石墨烯,二维过渡金属硫化物由于种类组合繁多,具有更为丰富的结构多样性。他们涵盖了从金属到宽带隙绝缘特征的全部电子电化学行为。此外,二维过渡金属硫化物材料通过设计层与层之间的不同堆叠方式形成不同的纳米结构,可以得到非常大的表面积和表面原子比例,这些都在不同的电化学领域有着独特的优势。

二维过渡金属硫属化物(TMDCs)是一种与石墨烯的半金属特征不同的二维层状材料的替代材料体系,通常可以用分子式MX2表示这种材料,其中M表示正四价的过渡金属,X表示负二价的硫族化合物S、Se和Te等。不同TMDCs表现出的性质取决于其不同的化学组成,可以是半导体(如MoS2,WS2)、半金属(如WTe2,TiSe2)、全金属(如NbS2,VSe2)和超导体(如NbSe2,TaS2)。

二维纳米材料制备方法

关于二维纳米材料的制备方法,最早在2004年,英国科学家通过机械剥离方法制备石墨烯,这类二维材料层与层之间是范德华力链接,通过胶带反复粘贴将表层的片层挣脱范德华力的束缚而独立成为单层纳米片。后来他们因此项工作于2010年荣获物理诺贝尔奖。许多层状光催化材料也可以使用这种机械剥离的方法制备。但是这种方法的实际操作比较复杂,费时又费力,且每次只能生产少量产物,不适合作为工业生产。后来人们慢慢研究液相剥离的方法,将过渡金属硫化物二硫化钼(MoS2)放于不同溶剂中超声分散,最终得到少层或单层的超薄MoS2。这种方法适用于层状材料,因为不同的表面张力导致不同的分散效果,选择溶剂过程也比较复杂。

溅射法主要用来制备纳米薄膜,它的基本原理是在阳极和阴极的活泼气氛在两电极间直流电压的作用下,从而产生辉光放电,使腔体的气体变成离子,离子撞击到阴极靶材上,被蒸镀而出的靶材原子被惰性气体冷凝,经过团聚形成纳米颗粒沉积后形成纳米薄膜。该方法优点主要有:制备材料物种丰富、靶材位置可以调控,面积较大等。但这种方法所用靶材非常昂贵,无法大规模工业生产。

化学气相沉积法(CVD)也是一种制备二维纳米材料的方法,指利用气态的前驱体单质或者化合物为材料,使其在固态的基底上缓慢沉积成膜。近几年来该技术逐渐发展成熟,利用该技术可以制备多种薄膜材料,可以是石墨烯、氧化物、氮化物、硫化物。这种方法的优点是样品结晶质量好、易于半导体掺杂、生长速度块、制备效率高。但这种方法必须需要纯化处理草料,预先把所有管路排气处理,还需要考虑其他复杂的影响因素,对设备的精准度也有很高的要求。

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