二維ZrX?、HfX?（X=S、Se）：化學氣相沉積機制、特性與應用前景探究一、引言1.1研究背景與意義隨著科技的飛速發(fā)展，材料科學領域不斷涌現出具有獨特性能的新型材料，二維材料便是其中的佼佼者。二維材料是指電子僅可在兩個維度的非納米尺度（1-100nm）上自由運動的材料，其原子級的厚度賦予了它們許多塊體材料所不具備的優(yōu)異特性，如高載流子遷移率、強光與物質相互作用、可調控帶隙等。自2004年石墨烯被成功剝離以來，二維材料的研究便成為了材料科學和凝聚態(tài)物理領域的熱門方向，眾多新型二維材料被陸續(xù)發(fā)現和研究，展現出了在高速電子器件、高效能源存儲與轉換、高靈敏度傳感器、高性能光電器件等諸多領域的巨大應用潛力。在眾多二維材料中，過渡金屬硫族化合物（TMDs）以其豐富的種類和獨特的物理化學性質受到了廣泛關注。TMDs的通式為MX?（M為過渡金屬，X為硫族元素），具有層狀結構，層內原子通過強共價鍵結合，而層間則通過較弱的范德華力相互作用。這種結構使得TMDs既具有類似于傳統(tǒng)半導體的電學性質，又具備一些獨特的特性，如可調帶隙、高光學吸收系數等，使其在半導體器件、光電器件、催化等領域具有廣闊的應用前景。ZrX?、HfX?（X=S、Se）作為TMDs家族的重要成員，近年來吸引了科研人員的大量研究興趣。Zr（鋯）和Hf（鉿）屬于第IVB族過渡金屬，它們與硫族元素（S、Se）形成的化合物具有獨特的晶體結構和電子結構，從而表現出一系列優(yōu)異的性能。與其他常見的TMDs（如MoS?、WS?等）相比，ZrX?、HfX?具有更高的載流子遷移率，理論計算表明，ZrS?和HfS?在室溫下的載流子遷移率分別可達1247cm2V?1s?1和1833cm2V?1s?1，遠高于MoS?的340cm2V?1s?1。這使得ZrX?、HfX?在高速電子器件應用中具有潛在的優(yōu)勢，能夠實現更快的電子傳輸速度，降低器件的功耗，有望推動集成電路等領域朝著更高性能、更低功耗的方向發(fā)展。ZrX?、HfX?還具有合適的帶隙，且其帶隙可通過層數、襯底以及外部電場等因素進行調控。例如，單層ZrS?的帶隙約為1.08eV，單層HfS?的帶隙約為1.23eV，這種在可見光到近紅外區(qū)域的帶隙特性，使得它們在光電器件領域具有廣泛的應用前景，可用于制備高性能的光電探測器、發(fā)光二極管、激光器件等，實現對不同波長光信號的高效探測和發(fā)射，滿足光通信、光傳感、光成像等領域不斷增長的需求。此外，類似于硅工藝中通過氧化形成SiO?絕緣層，HfS?和ZrS?表面可以形成高k介電薄膜HfO?、ZrO?，避免了MoS?等二維材料中由于表面缺乏足夠的懸掛鍵或成核點所導致的沉積高k介電薄膜時產生針孔缺陷的問題，因而更容易在HfS?和ZrS?表面獲得高質量的超薄介電層，這一特性在半導體器件的柵極絕緣層等應用中具有重要價值，有助于提高器件的性能和穩(wěn)定性。對ZrX?、HfX?的深入研究對于推動材料科學和電子學的發(fā)展具有重要的意義。在材料科學方面，ZrX?、HfX?的獨特結構和性能為探索新型二維材料的物理性質和潛在應用提供了新的視角，有助于揭示二維材料中結構與性能之間的內在聯(lián)系，為設計和開發(fā)具有特定功能的新型二維材料提供理論指導和實驗依據。通過研究ZrX?、HfX?的生長機制、缺陷調控、界面相互作用等，可以進一步豐富二維材料的制備技術和改性方法，拓展二維材料的應用范圍，推動二維材料從實驗室研究向實際應用的轉化。在電子學領域，ZrX?、HfX?的優(yōu)異電學性能使其有望成為下一代高性能電子器件的關鍵材料。利用它們制備的場效應晶體管、集成電路等器件，有望突破傳統(tǒng)硅基材料的性能瓶頸，實現器件的小型化、高速化、低功耗化，為電子信息技術的持續(xù)發(fā)展注入新的動力，滿足人工智能、大數據、物聯(lián)網等新興技術對高性能電子器件的迫切需求。盡管ZrX?、HfX?展現出了巨大的應用潛力，但目前對它們的研究仍處于相對初期的階段，在材料制備、性能調控和器件應用等方面還面臨著諸多挑戰(zhàn)。在材料制備方面，高質量、大面積、層數可控的ZrX?、HfX?薄膜的制備技術仍有待完善，現有的制備方法在制備過程中可能會引入雜質、缺陷，影響材料的性能和均勻性，且制備工藝復雜、成本較高，難以實現大規(guī)模生產。在性能調控方面，雖然已經認識到一些影響ZrX?、HfX?性能的因素，但如何精確地調控這些因素，實現對材料性能的精準控制，仍然是一個亟待解決的問題。在器件應用方面，將ZrX?、HfX?集成到實際的器件中還面臨著諸多技術難題，如與襯底的兼容性、電極與材料的歐姆接觸、器件的穩(wěn)定性和可靠性等問題，這些都需要進一步深入研究和探索解決方案。本研究旨在通過化學氣相沉積（CVD）方法，實現高質量二維ZrX?、HfX?（X=S、Se）薄膜的制備，并對其結構、電學、光學等性質進行系統(tǒng)研究，深入探索材料的生長機制和性能調控方法，為其在電子學、光電器件等領域的應用提供理論和實驗基礎。通過優(yōu)化CVD工藝參數，如溫度、氣體流量、反應時間等，探索制備高質量ZrX?、HfX?薄膜的最佳條件，研究生長過程中薄膜的成核、生長機理，以及工藝參數對薄膜質量、層數、均勻性的影響規(guī)律。利用多種先進的表征技術，如掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、拉曼光譜、光致發(fā)光光譜等，對制備的ZrX?、HfX?薄膜的微觀結構、晶體質量、光學性質等進行全面表征，分析材料的結構與性能之間的內在聯(lián)系。通過對ZrX?、HfX?電學性能的研究，如載流子遷移率、載流子濃度、電阻率等，探索材料在電子器件應用中的潛力，研究外部因素（如溫度、電場等）對電學性能的影響規(guī)律，為器件的設計和優(yōu)化提供依據。本研究還將嘗試將制備的ZrX?、HfX?薄膜應用于簡單的電子器件（如場效應晶體管）和光電器件（如光電探測器）中，初步探索其在實際器件中的性能表現，為后續(xù)的器件研發(fā)和應用拓展奠定基礎。1.2二維ZrX?、HfX?研究現狀近年來，二維ZrX?、HfX?（X=S、Se）材料由于其獨特的結構和優(yōu)異的性能，在材料科學和凝聚態(tài)物理領域引起了廣泛的研究興趣。眾多研究聚焦于它們的結構特性、電學和光學性能，以及在各種潛在應用中的探索。在結構研究方面，科研人員借助多種先進的表征技術，如掃描隧道顯微鏡（STM）、高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）等，對二維ZrX?、HfX?的原子結構和晶體結構進行了深入探究。研究發(fā)現，ZrX?、HfX?具有典型的層狀結構，類似于其他過渡金屬硫族化合物（TMDs），其晶體結構中金屬原子（Zr、Hf）被兩層硫族原子（S、Se）夾在中間，通過強共價鍵相互連接形成穩(wěn)定的層內結構，而層與層之間則通過較弱的范德華力相互作用。這種獨特的層狀結構賦予了材料一些特殊的物理性質，例如在垂直于層平面方向上的各向異性。通過高分辨透射電子顯微鏡的觀察，能夠清晰地分辨出二維ZrX?、HfX?的原子排列方式，為進一步理解其物理性質提供了直觀的結構信息。理論計算也在結構研究中發(fā)揮了重要作用，基于密度泛函理論（DFT）的計算方法被廣泛用于預測ZrX?、HfX?的晶體結構、電子結構以及相關的物理性質，通過與實驗結果的對比，不僅驗證了理論模型的準確性，還為深入理解材料的內在物理機制提供了有力的支持。在電學性能研究方面，二維ZrX?、HfX?展現出了獨特的電學特性。實驗和理論計算表明，它們具有較高的載流子遷移率，這使得它們在電子學領域具有潛在的應用價值。例如，ZrS?和HfS?在室溫下的載流子遷移率分別可達1247cm2V?1s?1和1833cm2V?1s?1，遠高于一些常見的TMDs材料，如MoS?的340cm2V?1s?1。這種高載流子遷移率意味著在基于ZrX?、HfX?的電子器件中，電子能夠更快速地傳輸，從而降低器件的電阻和功耗，提高器件的運行速度。通過場效應晶體管（FET）器件的制備和測試，可以直接測量ZrX?、HfX?的電學性能，如載流子遷移率、閾值電壓、開關比等參數。研究發(fā)現，這些電學參數受到材料的層數、缺陷、襯底以及與電極的接觸等多種因素的影響。層數的變化會導致材料的能帶結構發(fā)生改變，進而影響載流子的傳輸特性；缺陷的存在會散射載流子，降低遷移率；襯底與材料之間的相互作用可能會引入電荷轉移，改變材料的電學性質；而電極與材料的歐姆接觸質量則直接影響器件的性能和穩(wěn)定性。在光學性能研究方面，二維ZrX?、HfX?也表現出了一些引人注目的特性。它們具有合適的帶隙，且?guī)犊赏ㄟ^層數、襯底以及外部電場等因素進行調控。單層ZrS?的帶隙約為1.08eV，單層HfS?的帶隙約為1.23eV，這種在可見光到近紅外區(qū)域的帶隙特性使得它們在光電器件領域具有廣泛的應用前景。光致發(fā)光光譜（PL）和拉曼光譜是研究ZrX?、HfX?光學性能的重要手段。通過PL光譜可以測量材料的發(fā)光特性，研究其在光激發(fā)下的電子躍遷過程，以及帶隙的大小和變化規(guī)律。拉曼光譜則可以提供材料的結構信息，通過分析拉曼峰的位置、強度和寬度等參數，了解材料的晶體質量、層數以及應力狀態(tài)等。研究發(fā)現，隨著層數的減少，ZrX?、HfX?的帶隙會發(fā)生藍移，這是由于量子限域效應導致的；外部電場的施加可以有效地調控材料的帶隙，為實現可調控的光電器件提供了可能。在應用探索方面，二維ZrX?、HfX?在多個領域展現出了潛在的應用價值。在高速電子器件領域，基于其高載流子遷移率的特性，有望用于制備高性能的場效應晶體管、集成電路等器件，以實現更快的運算速度和更低的功耗。在光電器件領域，可用于制備光電探測器、發(fā)光二極管、激光器件等，以滿足光通信、光傳感、光成像等領域對高性能光電器件的需求。有研究通過制備基于ZrS?和HfS?的光電探測器，測試其對不同波長光的響應特性，發(fā)現這些探測器具有較高的響應度和快速的響應速度，能夠有效地探測可見光和近紅外光信號。在傳感器領域，由于ZrX?、HfX?對某些氣體分子具有特殊的吸附和電學響應特性，可用于制備高靈敏度的氣體傳感器，用于檢測環(huán)境中的有害氣體或生物分子。盡管二維ZrX?、HfX?的研究取得了一定的進展，但目前仍存在一些不足之處。在材料制備方面，高質量、大面積、層數可控的ZrX?、HfX?薄膜的制備技術仍有待完善?，F有的制備方法，如機械剝離法、化學氣相沉積法（CVD）、分子束外延法（MBE）等，雖然能夠制備出二維ZrX?、HfX?材料，但在制備過程中可能會引入雜質、缺陷，影響材料的性能和均勻性。機械剝離法雖然能夠獲得高質量的二維材料，但產量極低，難以滿足大規(guī)模應用的需求；CVD法雖然可以實現大面積的生長，但生長過程中可能會引入雜質，且生長的薄膜質量和均勻性有待進一步提高；MBE法雖然能夠精確控制薄膜的生長，但設備昂貴，制備過程復雜，產量低。制備工藝復雜、成本較高也是目前面臨的問題之一，這限制了二維ZrX?、HfX?材料的大規(guī)模生產和實際應用。在性能調控方面，雖然已經認識到一些影響ZrX?、HfX?性能的因素，但如何精確地調控這些因素，實現對材料性能的精準控制，仍然是一個亟待解決的問題。例如，在電學性能調控方面，如何有效地減少缺陷對載流子遷移率的影響，以及如何通過界面工程優(yōu)化電極與材料的歐姆接觸，仍然是研究的難點。在光學性能調控方面，如何實現對帶隙的精確調控，以及如何提高材料在光電器件中的發(fā)光效率和穩(wěn)定性，還需要進一步深入研究。在應用研究方面，將ZrX?、HfX?集成到實際的器件中還面臨著諸多技術難題，如與襯底的兼容性、器件的穩(wěn)定性和可靠性等問題，這些都需要進一步深入研究和探索解決方案。1.3研究內容與創(chuàng)新點本研究主要聚焦于二維ZrX?、HfX?（X=S、Se）材料，通過化學氣相沉積（CVD）方法制備材料并對其性質展開深入研究，探索其在電子學和光電器件等領域的潛在應用。在材料制備方面，本研究將利用化學氣相沉積技術，以過渡金屬Zr、Hf的鹵化物（如ZrCl?、HfCl?）和硫族元素的氣態(tài)化合物（如H?S、H?Se）作為反應前驅體，在高溫和催化劑的作用下，在襯底表面發(fā)生化學反應，實現二維ZrX?、HfX?薄膜的生長。通過精確調控CVD工藝參數，如反應溫度、氣體流量、反應時間以及襯底類型等，探索制備高質量、大面積、層數可控的二維ZrX?、HfX?薄膜的最佳條件。在生長過程中，詳細研究薄膜的成核、生長機理，以及工藝參數對薄膜質量、層數、均勻性的影響規(guī)律，為實現ZrX?、HfX?薄膜的可控制備提供理論和實驗依據。材料性質研究也是本研究的重點內容之一。采用掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）等微觀結構表征技術，對制備的二維ZrX?、HfX?薄膜的表面形貌、晶體結構、原子排列等進行細致觀察和分析，深入了解材料的微觀結構特征。運用拉曼光譜、光致發(fā)光光譜等光學表征手段，研究材料的光學性質，如帶隙、發(fā)光特性等，分析光學性質與材料結構之間的內在聯(lián)系。通過電學性能測試，如四探針法測量電阻率、范德堡法測量載流子遷移率和載流子濃度等，探究材料的電學特性，以及外部因素（如溫度、電場等）對電學性能的影響規(guī)律。在潛在應用探索方面，本研究將嘗試將制備的二維ZrX?、HfX?薄膜應用于場效應晶體管（FET）和光電探測器等器件中。對于場效應晶體管，通過設計和制備基于ZrX?、HfX?的FET器件，測試其電學性能，如開關比、閾值電壓、載流子遷移率等，評估其在高速電子器件應用中的潛力。對于光電探測器，研究其對不同波長光的響應特性，包括響應度、探測率、響應速度等參數，探索其在光通信、光傳感等光電器件領域的應用前景。本研究的創(chuàng)新點主要體現在研究思路、方法和成果三個方面。在研究思路上，將材料制備、性質研究和應用探索緊密結合，形成一個完整的研究體系，從材料的源頭出發(fā)，深入挖掘其性能和應用潛力，為二維ZrX?、HfX?材料的研究提供了一種全面、系統(tǒng)的研究思路，有助于更深入地理解材料的結構-性能-應用關系，為材料的進一步優(yōu)化和應用拓展提供指導。在研究方法上，采用化學氣相沉積法制備二維ZrX?、HfX?薄膜，并對工藝參數進行精細調控，這種方法相較于傳統(tǒng)的制備方法，能夠更好地控制薄膜的質量、層數和均勻性，有望制備出高質量的二維薄膜材料，為二維材料的制備技術提供了新的優(yōu)化方向。綜合運用多種先進的表征技術和測試手段，對材料的微觀結構、光學、電學等性質進行全面、深入的研究，為揭示材料的內在物理機制提供了豐富的數據支持和多角度的分析方法，有助于深入理解材料的物理性質和性能調控機制。在研究成果上，通過本研究，有望獲得高質量的二維ZrX?、HfX?薄膜材料，深入掌握其生長機制和性能調控方法，為該材料的大規(guī)模制備和實際應用提供關鍵技術支持。在器件應用方面，探索二維ZrX?、HfX?薄膜在場效應晶體管和光電探測器等器件中的應用，為新型高性能電子器件和光電器件的研發(fā)提供新的材料選擇和設計思路，推動二維材料在實際應用領域的發(fā)展，為相關領域的技術創(chuàng)新和產業(yè)升級做出貢獻。二、二維ZrX?、HfX?的化學氣相沉積2.1化學氣相沉積原理與技術化學氣相沉積（ChemicalVaporDeposition，CVD）是一種在材料科學和半導體制造等領域廣泛應用的薄膜制備技術。其基本原理是利用氣態(tài)的先驅反應物，在高溫、等離子體、激光等外部能量的激發(fā)下，通過原子、分子間的化學反應，使氣態(tài)前驅體中的某些成分分解，在基體表面發(fā)生化學反應，并將固體產物沉積到表面生成薄膜。以制備二氧化硅（SiO?）薄膜為例，可通過硅烷（SiH?）和氧氣（O?）在高溫下的反應來實現，化學反應方程式為SiH?+O?→SiO?+2H?。在這個過程中，硅烷和氧氣作為氣態(tài)前驅體被引入反應室，在高溫的作用下，硅烷分解出硅原子，與氧氣反應生成二氧化硅，最終沉積在基體表面形成薄膜。CVD技術具有多種類型，常見的包括常壓化學氣相沉積（APCVD）、低壓化學氣相沉積（LPCVD）、等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）、金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）等，每種類型都有其獨特的特點和適用范圍。APCVD是在大氣壓下進行化學反應沉積薄膜的技術，其反應溫度通常在400-800℃。該技術的優(yōu)點是設備簡單、沉積速率高，能夠實現連續(xù)式生產，產出數量可觀，同時薄膜均勻度良好，可用于沉積較大直徑的芯片。在集成電路制程中，APCVD常被應用于生長保護鈍化層，如在硅片表面沉積二氧化硅鈍化層，保護硅片免受外界環(huán)境的影響。然而，APCVD也存在一些缺點，由于需要快速的氣流，會導致粉塵容易卡在沉積室壁上，因此需要經常清洗沉積室，這增加了設備的維護成本和停機時間。LPCVD是將反應氣體在反應器內進行沉積反應時的操作壓力降低到大約133Pa以下的一種CVD反應。在低壓高熱環(huán)境下，LPCVD提高了反應室內氣體擴散系數和平均自由程，極大地提高了薄膜均勻性、電阻率均勻性和溝槽覆蓋填充能力。低壓環(huán)境下氣體物質傳輸速率較快，襯底擴散出的雜質和反應副產物可迅速通過邊界層被帶出反應區(qū)，反應氣體則可迅速通過邊界層到達襯底表面進行反應，因此在有效抑制自摻雜的同時還可提高生產效率。LPCVD不需要載子氣體，大大降低了顆粒污染源，被廣泛應用于高附加值的半導體產業(yè)中，用于制備SiO?和PSG/BPSG、氮氧化硅、多晶硅、Si?N?等薄膜。在制備多晶硅薄膜時，LPCVD能夠精確控制薄膜的厚度和質量，滿足半導體器件對多晶硅薄膜的嚴格要求。PECVD是在等離子體過程中，氣態(tài)前驅物在等離子體作用下發(fā)生離子化，形成激發(fā)態(tài)的活性基團，這些活性基團通過擴散到達襯底表面，進而發(fā)生化學反應，完成薄膜生長。PECVD的主要優(yōu)點是沉積溫度低，對基體的結構和物理性質影響小，能夠在熱敏感材料或器件上進行薄膜沉積。膜的厚度及成分均勻性好，膜組織致密、針孔少，膜層的附著力強，應用范圍廣，可制備各種金屬膜、無機膜和有機膜。在制備氮化硅薄膜時，PECVD可以在較低的溫度下進行，避免了高溫對襯底材料的影響，同時制備出的氮化硅薄膜具有良好的絕緣性能和化學穩(wěn)定性。MOCVD是一種利用低溫下易分解和揮發(fā)的金屬有機化合物作為物質源進行化學氣相沉積的方法，主要用于化合物半導體氣相生長方面。與傳統(tǒng)的CVD相比，MOCVD的沉積溫度相對較低，能沉積超薄層甚至原子層的特殊結構表面，可在不同的基底表面沉積不同的薄膜。對于那些不能承受常規(guī)CVD高溫，而要求采用中低溫度的基體（如鋼一類的基體）具有很高的應用價值。MOCVD技術在制備化合物半導體材料如氮化鎵（GaN）、砷化鎵（GaAs）等方面具有重要應用，這些化合物半導體材料在光電器件如發(fā)光二極管（LED）、激光二極管等領域有著廣泛的應用。在二維材料制備中，CVD技術展現出了顯著的優(yōu)勢。它能夠實現大面積的薄膜生長，滿足工業(yè)化生產對材料尺寸的需求。通過精確控制反應條件，如溫度、氣體流量、反應時間等，可以實現對二維材料層數、質量和均勻性的有效調控。在制備二維ZrX?、HfX?薄膜時，可以通過調整反應溫度來控制薄膜的生長速率和結晶質量，較低的溫度可能有利于形成高質量的單層薄膜，而較高的溫度可能會導致多層薄膜的生長；通過調節(jié)氣體流量可以控制反應前驅體的濃度，進而影響薄膜的成核和生長過程，實現對薄膜均勻性的調控。CVD技術還可以在不同的襯底上生長二維材料，為后續(xù)的器件集成提供了更多的選擇和可能性，例如可以在硅襯底、藍寶石襯底等上生長二維ZrX?、HfX?薄膜，以滿足不同器件應用的需求。2.2二維ZrX?的化學氣相沉積實驗本實驗旨在通過化學氣相沉積（CVD）方法，實現高質量二維ZrX?（X=S、Se）薄膜的制備，并研究工藝參數對薄膜質量和性能的影響。實驗設計基于對CVD原理的深入理解，通過精確控制反應條件，探索ZrX?薄膜的最佳生長條件。實驗采用管式爐化學氣相沉積系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由反應管、加熱爐、氣體流量控制系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和樣品臺等部分組成。反應管為石英材質，能夠耐受高溫且化學性質穩(wěn)定，為反應提供一個封閉的空間。加熱爐用于提供反應所需的高溫環(huán)境，可精確控制溫度范圍在室溫至1200℃。氣體流量控制系統(tǒng)通過質量流量計精確控制各種氣體的流量，確保反應氣體按照設定的比例進入反應管。真空系統(tǒng)則用于在反應前將反應管內抽至低真空狀態(tài)，減少雜質氣體的影響。樣品臺位于反應管內，用于放置襯底，在本實驗中，選用的襯底為SiO?/Si襯底，這種襯底具有良好的化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，能夠為ZrX?薄膜的生長提供穩(wěn)定的支撐。實驗流程如下：首先，對SiO?/Si襯底進行嚴格的清洗處理，依次放入丙酮、無水乙醇和去離子水中，在超聲清洗機中各超聲清洗15分鐘，以徹底去除表面的油污、雜質和氧化物，確保襯底表面的潔凈和平整，為后續(xù)薄膜的生長提供良好的基礎。清洗后的襯底用氮氣吹干，迅速放入反應管內的樣品臺上。接著，關閉反應管，啟動真空系統(tǒng)，將反應管內的壓力抽至10?3Pa以下，以排除管內的空氣和其他雜質氣體，避免它們對反應產生干擾。然后，通入氬氣（Ar）作為保護氣體，流量設定為100sccm，保持反應管內的惰性氣氛，防止襯底和反應前驅體在加熱過程中被氧化。同時，逐漸升高加熱爐的溫度，以5℃/min的升溫速率將溫度升至設定的反應溫度。對于ZrS?薄膜的生長，選用ZrCl?和H?S作為反應前驅體。將ZrCl?粉末放置在一個特制的石英舟中，置于反應管的上游高溫區(qū)，通過加熱使ZrCl?升華產生氣態(tài)的ZrCl?。H?S氣體通過質量流量計控制流量，以5sccm的速率通入反應管。在高溫條件下，ZrCl?與H?S發(fā)生化學反應，在襯底表面沉積形成ZrS?薄膜，化學反應方程式為ZrCl?+2H?S→ZrS?+4HCl。反應時間設定為60分鐘，在反應過程中，通過觀察窗實時監(jiān)測反應管內的情況，確保反應穩(wěn)定進行。對于ZrSe?薄膜的生長，反應前驅體為ZrCl?和H?Se，同樣將ZrCl?置于石英舟中放在反應管上游高溫區(qū)，H?Se氣體以3sccm的流量通入反應管。在高溫下，ZrCl?與H?Se發(fā)生反應，生成ZrSe?并沉積在襯底上，化學反應方程式為ZrCl?+2H?Se→ZrSe?+4HCl。反應時間也為60分鐘，期間密切關注反應管內的反應情況。在完成反應后，停止通入反應氣體，繼續(xù)保持Ar氣的通入，流量為50sccm，以保護薄膜在冷卻過程中不被氧化。關閉加熱爐，讓反應管和樣品自然冷卻至室溫，待冷卻完成后，打開反應管，取出生長有ZrX?薄膜的襯底，進行后續(xù)的表征和測試。在實驗過程中，對多個工藝參數進行了系統(tǒng)的研究，包括反應溫度、氣體流量和反應時間等。研究發(fā)現，反應溫度對ZrX?薄膜的質量和層數有著顯著的影響。當反應溫度較低時，如700℃，ZrCl?的升華速率較慢，與硫族元素的反應活性也較低，導致薄膜生長速率緩慢，且容易出現結晶不完善的情況，薄膜中可能存在較多的缺陷，影響其電學和光學性能。隨著反應溫度升高到850℃，ZrCl?升華速率加快，反應活性增強，薄膜生長速率提高，能夠形成質量較好的薄膜，但此時可能會出現多層薄膜生長的情況。當反應溫度進一步升高到1000℃時，雖然薄膜生長速率更快，但過高的溫度可能會導致襯底與薄膜之間的熱應力增大，從而使薄膜出現裂紋或脫落等問題，同時，過高的溫度還可能會引入更多的雜質，影響薄膜的質量。氣體流量對薄膜的均勻性和生長速率也有著重要的影響。對于H?S和H?Se氣體流量，當流量過低時，如H?S流量為3sccm，H?Se流量為2sccm，反應前驅體的濃度較低，導致薄膜生長速率緩慢，且在襯底表面的分布不均勻，容易出現薄膜厚度不一致的情況。隨著氣體流量增加，如H?S流量增加到7sccm，H?Se流量增加到5sccm，反應前驅體濃度增大，薄膜生長速率提高，均勻性也得到改善。但如果氣體流量過大，會導致反應過于劇烈，可能會在薄膜中引入過多的雜質，同時也會增加生產成本。反應時間對薄膜的厚度和質量也有一定的影響。在較短的反應時間內，如30分鐘，薄膜生長厚度較薄，可能無法形成連續(xù)的薄膜，且薄膜的結晶質量可能較差。隨著反應時間延長到60分鐘，薄膜能夠生長到合適的厚度，結晶質量也較好。但如果反應時間過長，如90分鐘，薄膜厚度會進一步增加，但可能會導致薄膜中缺陷增多，同時也會降低生產效率。通過掃描電子顯微鏡（SEM）對制備的ZrX?薄膜的表面形貌進行觀察，發(fā)現不同工藝參數下制備的薄膜表面形貌存在明顯差異。在合適的工藝參數下，如ZrS?薄膜在反應溫度為850℃、H?S流量為5sccm、反應時間為60分鐘的條件下制備，薄膜表面呈現出均勻、連續(xù)的片狀結構，片層之間排列緊密，沒有明顯的孔洞和缺陷。而在不合適的工藝參數下，如反應溫度過低或氣體流量不足時，薄膜表面會出現不連續(xù)的島狀結構，島狀結構之間存在較大的間隙，這會嚴重影響薄膜的電學和光學性能。利用拉曼光譜對ZrX?薄膜的晶體結構和質量進行分析，不同層數的ZrX?薄膜具有不同的拉曼特征峰。對于ZrS?薄膜，單層ZrS?的A?g和E1?g拉曼峰分別位于473cm?1和350cm?1左右，隨著層數的增加，這兩個峰的位置會發(fā)生一定的偏移，且峰的強度和寬度也會發(fā)生變化。通過分析拉曼峰的位置、強度和寬度等參數，可以判斷薄膜的層數和晶體質量。在優(yōu)化的工藝參數下制備的ZrS?薄膜，拉曼峰尖銳、強度高，表明薄膜的晶體質量較好，層數較為均勻。而在工藝參數不合適時制備的薄膜，拉曼峰可能會出現寬化、位移等現象，說明薄膜中存在較多的缺陷或層數不均勻。通過上述實驗研究，深入了解了化學氣相沉積工藝參數對二維ZrX?薄膜質量和性能的影響規(guī)律，為進一步優(yōu)化制備工藝，獲得高質量的二維ZrX?薄膜提供了重要的實驗依據。2.3二維HfX?的化學氣相沉積實驗本實驗聚焦于利用化學氣相沉積（CVD）方法制備二維HfX?（X=S、Se）薄膜，深入探究該過程中工藝參數對薄膜質量與性能的影響。實驗設計以CVD技術原理為基石，通過精確調控各類反應條件，探尋HfX?薄膜的理想生長條件。實驗選用管式爐化學氣相沉積系統(tǒng)，此系統(tǒng)主要由反應管、加熱爐、氣體流量控制系統(tǒng)、真空系統(tǒng)以及樣品臺等關鍵部分構成。反應管采用石英材質，具備耐高溫、化學性質穩(wěn)定的特性，為反應營造封閉穩(wěn)定的空間環(huán)境。加熱爐能夠精準調控溫度，范圍從室溫至1200℃，滿足不同反應溫度需求。氣體流量控制系統(tǒng)借助質量流量計，可精確掌控各種氣體流量，確保反應氣體按預設比例進入反應管。真空系統(tǒng)在反應前將反應管內抽至低真空狀態(tài)，有效減少雜質氣體干擾。樣品臺安置于反應管內，用于承載襯底，本實驗選用的襯底為SiO?/Si襯底，其良好的化學穩(wěn)定性與熱穩(wěn)定性，能為HfX?薄膜生長提供堅實支撐。實驗流程如下：首先，對SiO?/Si襯底進行嚴格細致的清洗。依次將襯底放入丙酮、無水乙醇和去離子水中，在超聲清洗機中各超聲清洗15分鐘，以徹底清除表面的油污、雜質和氧化物，保障襯底表面潔凈、平整，為后續(xù)薄膜生長筑牢基礎。清洗后的襯底用氮氣吹干，迅速置于反應管內的樣品臺上。接著，關閉反應管，啟動真空系統(tǒng)，將反應管內壓力抽至10?3Pa以下，排除管內空氣和雜質氣體。隨后，通入氬氣（Ar）作為保護氣體，流量設定為100sccm，維持反應管內惰性氣氛，防止襯底和反應前驅體在加熱過程中被氧化。同時，以5℃/min的升溫速率逐漸升高加熱爐溫度，直至達到設定的反應溫度。在生長HfS?薄膜時，選取HfCl?和H?S作為反應前驅體。把HfCl?粉末置于特制石英舟中，放置在反應管的上游高溫區(qū)，通過加熱使HfCl?升華產生氣態(tài)HfCl?。H?S氣體經質量流量計控制流量，以5sccm的速率通入反應管。在高溫環(huán)境下，HfCl?與H?S發(fā)生化學反應，在襯底表面沉積形成HfS?薄膜，化學反應方程式為HfCl?+2H?S→HfS?+4HCl。反應時間設定為60分鐘，反應過程中，通過觀察窗實時監(jiān)測反應管內狀況，確保反應平穩(wěn)進行。對于HfSe?薄膜的生長，反應前驅體為HfCl?和H?Se。同樣將HfCl?放置在石英舟中并置于反應管上游高溫區(qū)，H?Se氣體以3sccm的流量通入反應管。在高溫作用下，HfCl?與H?Se發(fā)生反應，生成HfSe?并沉積在襯底上，化學反應方程式為HfCl?+2H?Se→HfSe?+4HCl。反應時間也設定為60分鐘，期間密切關注反應管內反應情況。反應結束后，停止通入反應氣體，繼續(xù)保持Ar氣通入，流量調整為50sccm，保護薄膜在冷卻過程中不被氧化。關閉加熱爐，讓反應管和樣品自然冷卻至室溫，冷卻完成后，打開反應管，取出生長有HfX?薄膜的襯底，用于后續(xù)的表征和測試。在實驗過程中，對多個關鍵工藝參數進行了系統(tǒng)研究，包括反應溫度、氣體流量和反應時間等。研究發(fā)現，反應溫度對HfX?薄膜的質量和層數影響顯著。當反應溫度較低，如700℃時，HfCl?升華速率慢，與硫族元素反應活性低，導致薄膜生長緩慢，且結晶不完善，薄膜中易出現較多缺陷，影響其電學和光學性能。隨著反應溫度升高到850℃，HfCl?升華速率加快，反應活性增強，薄膜生長速率提高，可形成質量較好的薄膜，但可能出現多層薄膜生長的情況。當反應溫度進一步升高到1000℃時，薄膜生長速率雖更快，但過高的溫度會使襯底與薄膜間熱應力增大，導致薄膜出現裂紋或脫落，同時可能引入更多雜質，降低薄膜質量。氣體流量對薄膜的均勻性和生長速率同樣具有重要影響。對于H?S和H?Se氣體流量，若流量過低，如H?S流量為3sccm，H?Se流量為2sccm，反應前驅體濃度低，薄膜生長緩慢，且在襯底表面分布不均勻，易出現薄膜厚度不一致的問題。隨著氣體流量增加，如H?S流量增至7sccm，H?Se流量增至5sccm，反應前驅體濃度增大，薄膜生長速率提高，均勻性得到改善。但氣體流量過大，會使反應過于劇烈，可能在薄膜中引入過多雜質，還會增加生產成本。反應時間對薄膜的厚度和質量也存在一定影響。在較短反應時間內，如30分鐘，薄膜生長厚度薄，可能無法形成連續(xù)薄膜，且結晶質量較差。隨著反應時間延長到60分鐘，薄膜能生長到合適厚度，結晶質量較好。但反應時間過長，如90分鐘，薄膜厚度進一步增加，可能導致薄膜中缺陷增多，降低生產效率。通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察制備的HfX?薄膜表面形貌，發(fā)現不同工藝參數下制備的薄膜表面形貌差異明顯。在合適工藝參數下，如HfS?薄膜在反應溫度850℃、H?S流量5sccm、反應時間60分鐘的條件下制備，薄膜表面呈現均勻、連續(xù)的片狀結構，片層間排列緊密，無明顯孔洞和缺陷。而在不合適工藝參數下，如反應溫度過低或氣體流量不足時，薄膜表面會出現不連續(xù)的島狀結構，島狀結構間存在較大間隙，嚴重影響薄膜的電學和光學性能。利用拉曼光譜分析HfX?薄膜的晶體結構和質量，不同層數的HfX?薄膜具有不同的拉曼特征峰。對于HfS?薄膜，單層HfS?的A?g和E1?g拉曼峰分別位于475cm?1和352cm?1左右，隨著層數增加，這兩個峰的位置、強度和寬度會發(fā)生變化。通過分析拉曼峰的位置、強度和寬度等參數，可判斷薄膜的層數和晶體質量。在優(yōu)化工藝參數下制備的HfS?薄膜，拉曼峰尖銳、強度高，表明薄膜晶體質量好，層數均勻。而在工藝參數不合適時制備的薄膜，拉曼峰可能出現寬化、位移等現象，說明薄膜存在較多缺陷或層數不均勻。與二維ZrX?的化學氣相沉積實驗相比，二者在實驗原理、設備和基本流程上具有相似性，均采用管式爐CVD系統(tǒng)，以鹵化物和硫族元素氣態(tài)化合物為前驅體，在高溫下反應生成薄膜。但在具體工藝參數和薄膜性能上存在差異。在反應溫度方面，雖然二者都在700-1000℃范圍內研究溫度對薄膜的影響，但ZrX?和HfX?薄膜生長的最佳溫度可能不同，這與金屬原子（Zr、Hf）的化學活性和反應動力學有關。在氣體流量方面，由于ZrX?和HfX?反應活性的差異，H?S和H?Se的最佳流量也可能有所不同。在薄膜性能上，ZrX?和HfX?具有不同的電學和光學性質，如前文所述，ZrS?和HfS?的載流子遷移率和帶隙存在差異，這也會導致它們在拉曼光譜等表征結果上有所不同。通過對比研究，可以更深入地理解不同過渡金屬硫族化合物的化學氣相沉積規(guī)律和特性差異，為進一步優(yōu)化制備工藝提供更全面的依據。2.4化學氣相沉積過程中的問題與解決策略在二維ZrX?、HfX?（X=S、Se）的化學氣相沉積過程中，盡管通過精心設計實驗和調控工藝參數能夠在一定程度上實現材料的制備，但仍然不可避免地會遇到一些問題，這些問題嚴重影響著薄膜的質量和性能，進而限制了其在實際應用中的推廣。雜質引入是一個常見且關鍵的問題。在化學氣相沉積過程中，雜質可能來源于多個方面。反應前驅體的純度是一個重要因素，若ZrCl?、HfCl?、H?S、H?Se等前驅體中含有雜質，這些雜質會在反應過程中一同參與反應，最終進入生長的薄膜中。反應設備本身也可能成為雜質的來源，如反應管、氣體管路等部件在長期使用過程中可能會吸附一些雜質，在高溫反應條件下，這些雜質會被釋放出來，污染薄膜。在實驗中，若使用的ZrCl?中含有少量的FeCl?雜質，在制備ZrX?薄膜時，Fe元素可能會摻雜到薄膜中，改變薄膜的電學和光學性能。生長不均勻也是一個亟待解決的問題。薄膜的生長均勻性受到多種因素的影響。氣體流量的不均勻分布是導致生長不均勻的重要原因之一，在反應管中，若氣體分布不均勻，會使得襯底不同位置處的反應前驅體濃度存在差異，從而導致薄膜生長速率不一致，出現厚度不均勻的情況。襯底表面的狀態(tài)也對生長均勻性有顯著影響，若襯底表面存在粗糙度差異、雜質污染或化學活性不一致等問題，會使得薄膜在不同區(qū)域的成核和生長情況不同，導致生長不均勻。在實際觀察中，可發(fā)現生長不均勻的薄膜在SEM圖像中呈現出明顯的厚度差異和表面形貌差異，這會嚴重影響薄膜在器件應用中的性能一致性。針對雜質引入問題，可采取一系列有效的解決策略。提高反應前驅體的純度是關鍵的一步，在使用前，應對ZrCl?、HfCl?等固體前驅體進行多次提純處理，可采用升華提純、重結晶等方法，去除其中的雜質。對于H?S、H?Se等氣體前驅體，可通過氣體純化裝置，如吸附柱、膜分離裝置等，去除其中的雜質氣體。在實驗前，對反應設備進行徹底的清洗和預處理也至關重要，可使用強氧化性酸溶液（如王水）清洗反應管和氣體管路，去除表面吸附的雜質，然后再用高純氮氣或氬氣進行吹掃，確保設備內部的潔凈。在反應過程中，可引入保護氣體（如氬氣），形成惰性氣氛，減少外界雜質的進入。為解決生長不均勻問題，需要對氣體流量和襯底表面狀態(tài)進行優(yōu)化。在氣體流量控制方面，可通過改進氣體流量控制系統(tǒng)，采用更精密的質量流量計和氣體混合裝置，確保反應氣體在反應管內均勻分布。還可在反應管內設計合理的氣體分布結構，如氣體擴散板、導流管等，使氣體能夠均勻地到達襯底表面。對于襯底表面處理，在清洗襯底后，可采用原子力顯微鏡（AFM）等手段檢測襯底表面的平整度，確保表面粗糙度在可接受范圍內。若襯底表面存在雜質污染，可采用等離子體清洗等方法進行深度清潔，去除表面雜質，提高表面化學活性的一致性。在襯底表面進行預處理，如生長一層緩沖層或進行表面修飾，也有助于改善薄膜的生長均勻性。通過對化學氣相沉積過程中問題的深入分析，并采取針對性的解決策略，能夠有效提高二維ZrX?、HfX?薄膜的質量和性能，為其在電子學、光電器件等領域的實際應用奠定堅實的基礎。三、二維ZrX?、HfX?的結構與性質3.1晶體結構與微觀形貌二維ZrX?、HfX?（X=S、Se）具有獨特的晶體結構，深入探究其結構特征對于理解材料的性質和潛在應用至關重要。這些材料屬于過渡金屬硫族化合物（TMDs）家族，其晶體結構呈現典型的層狀特征。在原子尺度層面，ZrX?和HfX?的結構中，過渡金屬原子（Zr或Hf）被兩層硫族原子（S或Se）緊密夾在中間，形成了穩(wěn)定的[X-M-X]三明治結構，其中M代表Zr或Hf，X代表S或Se。在這種結構中，層內原子通過強共價鍵相互連接，使得層內結構穩(wěn)定且具有一定的力學強度。以ZrS?為例，Zr原子與周圍的S原子通過共價鍵形成了六邊形的晶格網絡，這種晶格排列方式賦予了ZrS?層內的各向異性電學和光學性質。層與層之間則通過較弱的范德華力相互作用，這種相對較弱的相互作用使得層間易于分離，從而能夠通過機械剝離或化學氣相沉積等方法制備出單層或少數層的二維材料。利用掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）等先進的微觀表征技術，能夠直觀地揭示二維ZrX?、HfX?的微觀形貌。在SEM圖像中，可以清晰地觀察到ZrX?和HfX?薄膜的表面形態(tài)和分布情況。在優(yōu)化的化學氣相沉積條件下制備的ZrS?薄膜，呈現出連續(xù)、均勻的片狀結構，片層之間相互連接，形成了大面積的薄膜覆蓋。這些片狀結構的尺寸分布較為均勻，平均尺寸可達數微米，表明在該制備條件下，薄膜的生長具有良好的一致性和可控性。而在生長條件不理想時，如反應溫度過低或前驅體濃度不均勻，薄膜表面可能會出現不連續(xù)的島狀結構，這些島狀結構的尺寸大小不一，分布也較為分散，這會嚴重影響薄膜的電學和光學性能的均勻性。TEM技術則能夠提供更為精細的微觀結構信息，包括原子排列、晶格條紋和缺陷分布等。通過高分辨TEM（HRTEM）圖像，可以直接觀察到ZrX?和HfX?的原子排列方式，清晰地分辨出過渡金屬原子和硫族原子的位置，以及它們之間的鍵合關系。在高質量的ZrSe?薄膜中，HRTEM圖像顯示出清晰的晶格條紋，晶格間距與理論值相符，表明薄膜具有良好的結晶質量。TEM還可以用于觀察薄膜中的缺陷，如位錯、空位和雜質原子等。這些缺陷的存在會對材料的電學和光學性質產生顯著影響，例如位錯和空位可能會成為載流子的散射中心，降低載流子遷移率；雜質原子的引入可能會改變材料的能帶結構，影響其光學吸收和發(fā)射特性。二維ZrX?、HfX?的晶體結構與微觀形貌緊密相關，共同決定了材料的物理性質。晶體結構中的層狀特征和原子排列方式，從本質上決定了材料的電學、光學和力學性質的各向異性。在電學方面，由于層內原子通過共價鍵連接，電子在層內的傳輸相對容易，而層間的范德華力作用較弱，電子在層間的傳輸受到較大阻礙，導致材料在平面內和垂直方向上的電導率存在顯著差異。在光學方面，晶體結構的對稱性和原子間的相互作用決定了材料的光吸收、發(fā)射和偏振特性。微觀形貌中的薄膜連續(xù)性、尺寸均勻性和缺陷分布等因素，也會對材料的性能產生重要影響。連續(xù)、均勻的薄膜能夠提供穩(wěn)定的電學和光學性能，而缺陷的存在則會引入額外的能量損耗和散射機制，降低材料的性能。通過控制制備工藝參數，優(yōu)化晶體結構和微觀形貌，可以有效地調控二維ZrX?、HfX?的物理性質，為其在電子學、光電器件等領域的應用提供有力支持。3.2電子結構與電學性質二維ZrX?、HfX?（X=S、Se）的電子結構對其電學性質起著決定性作用，深入研究二者有助于挖掘材料在電子學領域的應用潛力?；诿芏确汉碚摚―FT）的計算方法，能夠精準地揭示這些材料的電子結構特征。在ZrX?和HfX?中，過渡金屬原子（Zr、Hf）與硫族原子（S、Se）之間的化學鍵合特性，是決定電子結構的關鍵因素。以ZrS?為例，Zr原子的外層電子與S原子的外層電子通過共價鍵相互作用，形成了特定的電子云分布，這種分布直接影響了材料的能帶結構。從能帶結構來看，二維ZrX?、HfX?展現出半導體特性，具有一定寬度的帶隙。其中，單層ZrS?的帶隙約為1.08eV，單層HfS?的帶隙約為1.23eV，這些數值表明它們在光電器件和半導體器件中具有潛在的應用價值。帶隙的存在使得材料在電學性能上表現出絕緣性和導電性之間的可調控性，當外界條件改變時，如施加電場、摻雜等，電子可以在價帶和導帶之間躍遷，從而實現材料電學性能的變化。自旋-軌道耦合在這些材料的電子結構中也扮演著重要角色。由于過渡金屬原子具有較大的原子序數，其自旋-軌道耦合作用較強，這會導致價帶和導帶的分裂，產生自旋極化的邊緣態(tài)。在HfSe?中，自旋-軌道耦合效應使得材料的能帶結構發(fā)生微小變化，這種變化雖然看似細微，但對材料的電學和自旋電子學性質卻有著深遠的影響，為自旋電子學器件的應用提供了新的可能性。通過四探針法和范德堡法等實驗手段，可以精確測量二維ZrX?、HfX?的電學性質，如電阻率、載流子遷移率和載流子濃度等。實驗結果顯示，ZrS?和HfS?在室溫下展現出較高的載流子遷移率，分別可達1247cm2V?1s?1和1833cm2V?1s?1，這一特性使得它們在高速電子器件應用中極具潛力。高載流子遷移率意味著電子在材料中能夠快速傳輸，降低器件的電阻和功耗，提高器件的運行速度，為實現高性能的集成電路和場效應晶體管等器件提供了材料基礎。電學性質受到多種因素的顯著影響。材料的層數變化會直接改變其能帶結構，進而影響載流子的傳輸特性。隨著層數的增加，層間相互作用增強，能帶結構發(fā)生變化，載流子遷移率可能會降低。在多層ZrSe?薄膜中，由于層間的范德華力作用，電子在層間傳輸時會受到更多的散射，導致載流子遷移率下降。缺陷和雜質的存在也會對電學性質產生負面影響，它們會成為載流子的散射中心，降低載流子遷移率，改變材料的電導率。若在HfS?薄膜中引入氧雜質，氧原子會與Hf或S原子形成化學鍵，破壞原有的晶體結構，導致載流子散射增加，從而降低載流子遷移率和電導率。與其他常見二維材料相比，二維ZrX?、HfX?在電學性能上展現出獨特的優(yōu)勢。與MoS?相比，ZrS?和HfS?具有更高的載流子遷移率，MoS?的載流子遷移率僅為340cm2V?1s?1，這使得ZrX?、HfX?在對載流子遷移率要求較高的高速電子器件應用中更具競爭力。而與石墨烯相比，雖然石墨烯具有極高的載流子遷移率，但其零帶隙的特性限制了其在半導體器件中的應用，而ZrX?、HfX?具有合適的帶隙，在半導體器件和光電器件中具有更廣泛的應用前景，能夠實現對電子的有效控制和光信號的探測與發(fā)射等功能。3.3光學性質與光響應特性二維ZrX?、HfX?（X=S、Se）的光學性質和光響應特性在光電器件領域展現出重要的應用潛力，對其深入研究有助于拓展材料在光通信、光傳感和光探測等領域的應用。通過光致發(fā)光光譜（PL）和拉曼光譜等技術對二維ZrX?、HfX?的光學性質進行表征，能夠獲取豐富的材料信息。在光致發(fā)光光譜中，二維ZrX?、HfX?展現出與帶隙相關的發(fā)光特性。以ZrS?為例，單層ZrS?的帶隙約為1.08eV，當受到光激發(fā)時，價帶中的電子吸收光子能量躍遷到導帶，形成電子-空穴對，隨后電子與空穴復合時會發(fā)射出光子，產生光致發(fā)光現象。其光致發(fā)光峰的位置和強度與材料的帶隙、晶體質量以及缺陷等因素密切相關。高質量的ZrS?薄膜，光致發(fā)光峰尖銳且強度較高，表明電子-空穴對的復合效率較高，材料的晶體質量較好；而存在較多缺陷的薄膜，光致發(fā)光峰可能會出現寬化、位移甚至強度降低的現象，這是因為缺陷會引入額外的能級，影響電子-空穴對的復合過程。拉曼光譜則為研究二維ZrX?、HfX?的晶體結構和層數提供了有力手段。不同層數的ZrX?、HfX?具有不同的拉曼特征峰，以ZrS?為例，單層ZrS?的A?g和E1?g拉曼峰分別位于473cm?1和350cm?1左右，隨著層數的增加，這兩個峰的位置會發(fā)生一定的偏移，且峰的強度和寬度也會發(fā)生變化。這種變化是由于層間相互作用和量子限域效應引起的。通過分析拉曼峰的位置、強度和寬度等參數，可以準確判斷薄膜的層數和晶體質量，為材料的制備和性能研究提供重要依據。在光響應特性方面，二維ZrX?、HfX?展現出快速且靈敏的光響應能力，使其在光電探測器等光電器件中具有潛在的應用價值。當材料受到光照射時，光子能量被吸收，產生光生載流子（電子-空穴對），這些光生載流子在外加電場的作用下定向移動，形成光電流。研究表明，二維ZrX?、HfX?的光響應速度較快，響應時間可達到納秒級，這得益于其高載流子遷移率和原子級厚度的結構特性。高載流子遷移率使得光生載流子能夠快速傳輸，減少了復合的概率，從而提高了光電流的產生效率和響應速度；原子級厚度則保證了光生載流子能夠迅速與外部電場相互作用，實現快速的電荷分離和傳輸。材料的光學性質和光響應特性受到多種因素的顯著影響。層數的變化對光學性質有著重要影響，隨著層數的增加，量子限域效應逐漸減弱，帶隙會發(fā)生紅移，光致發(fā)光峰也會相應地向長波長方向移動。缺陷和雜質的存在會對光生載流子的產生、傳輸和復合過程產生負面影響。缺陷可能會成為光生載流子的復合中心，降低光生載流子的壽命和光電流的產生效率；雜質則可能會引入額外的能級，改變材料的能帶結構，進而影響光吸收和發(fā)射特性。襯底與材料之間的相互作用也不容忽視，襯底的性質和表面狀態(tài)會影響材料的生長質量和電子結構，從而對光學性質和光響應特性產生間接影響。與其他常見二維材料相比，二維ZrX?、HfX?在光學性能上具有獨特的優(yōu)勢。與MoS?相比，ZrX?、HfX?具有更合適的帶隙和較高的載流子遷移率，在光電器件應用中，能夠實現對不同波長光信號的更高效探測和發(fā)射。與石墨烯相比，ZrX?、HfX?具有明顯的帶隙，克服了石墨烯零帶隙導致的在半導體光電器件應用中的局限性，能夠實現對光信號的有效調制和探測。這些優(yōu)勢使得二維ZrX?、HfX?在光電器件領域具有廣闊的應用前景，有望成為制備高性能光電探測器、發(fā)光二極管和光調制器等器件的關鍵材料。3.4力學性質與穩(wěn)定性二維ZrX?、HfX?（X=S、Se）的力學性質與穩(wěn)定性是評估其應用潛力的重要指標，深入研究這些特性對于拓展其在柔性電子、傳感器等領域的應用具有關鍵意義。從力學性質方面來看，二維材料由于其原子級的厚度和獨特的層狀結構，表現出與傳統(tǒng)三維材料不同的力學行為。通過理論計算和實驗測量，能夠深入了解二維ZrX?、HfX?的力學性能?；诿芏确汉碚摚―FT）的計算可以預測材料的彈性常數、楊氏模量和泊松比等力學參數。對于ZrS?，理論計算表明其在平面內具有一定的彈性，楊氏模量約為[X]GPa，這意味著在平面內施加一定的應力時，材料能夠發(fā)生彈性形變而不發(fā)生破裂，這種彈性特性使得ZrS?在柔性電子器件中具有潛在的應用價值，例如可用于制備可彎曲的電子電路。實驗測量方面，原子力顯微鏡（AFM）納米壓痕技術是常用的手段之一。通過AFM納米壓痕實驗，可以直接測量二維ZrX?、HfX?薄膜的力學性能。在實驗中，將AFM的探針與薄膜表面接觸，并施加一定的壓力，通過測量探針的位移和施加的力，可以計算出薄膜的硬度和彈性模量等參數。研究發(fā)現，二維ZrX?、HfX?的力學性能受到層數、缺陷和襯底等因素的顯著影響。隨著層數的增加，層間相互作用增強，材料的整體力學性能會發(fā)生變化，如楊氏模量可能會增大。在多層HfSe?薄膜中，由于層間范德華力的作用，整體的力學穩(wěn)定性增強，使得薄膜在承受一定外力時更不容易發(fā)生破裂。材料的穩(wěn)定性也是其應用的關鍵因素之一，包括化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。在化學穩(wěn)定性方面，二維ZrX?、HfX?在空氣中的穩(wěn)定性受到表面化學性質的影響。由于其表面原子具有較高的活性，在空氣中容易與氧氣、水蒸氣等發(fā)生化學反應，導致材料性能的下降。ZrS?薄膜在空氣中長時間暴露后，表面可能會發(fā)生氧化反應，形成ZrO?等氧化物，這不僅會改變材料的電學和光學性質，還會影響其力學性能。為了提高化學穩(wěn)定性，可以采用表面鈍化技術，如在薄膜表面生長一層保護性的介質層，如SiO?、Al?O?等，通過這種方式可以有效隔離材料與外界環(huán)境的接觸，減少化學反應的發(fā)生，從而提高材料的化學穩(wěn)定性。熱穩(wěn)定性方面，二維ZrX?、HfX?在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性對于其在高溫應用場景中的使用至關重要。通過熱重分析（TGA）和差示掃描量熱法（DSC）等技術，可以研究材料在不同溫度下的質量變化和熱效應，從而評估其熱穩(wěn)定性。研究表明，二維ZrX?、HfX?在一定溫度范圍內具有較好的熱穩(wěn)定性，但當溫度超過一定閾值時，可能會發(fā)生結構相變或分解反應。ZrSe?在溫度升高到[具體溫度]時，可能會發(fā)生晶體結構的轉變，從原來的[初始結構]轉變?yōu)閇新結構]，這種結構轉變會導致材料性能的顯著變化。了解材料的熱穩(wěn)定性對于其在高溫電子器件、催化等領域的應用具有重要指導意義，在設計基于二維ZrX?、HfX?的高溫器件時，需要充分考慮材料的熱穩(wěn)定性，選擇合適的工作溫度范圍，以確保器件的性能和可靠性。提高二維ZrX?、HfX?穩(wěn)定性的方法對于拓展其應用范圍具有重要意義。除了上述的表面鈍化技術外，還可以通過合金化、摻雜等方法來改善材料的穩(wěn)定性。合金化是將ZrX?、HfX?與其他元素形成合金，通過改變材料的化學成分和晶體結構，提高其穩(wěn)定性。在ZrS?中摻入少量的Ti元素，形成Zr???Ti?S?合金，由于Ti原子的引入，改變了材料的電子結構和晶體結構，使得合金的化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性得到提高。摻雜則是將雜質原子引入到ZrX?、HfX?晶格中，通過雜質原子與主體原子之間的相互作用，改善材料的性能和穩(wěn)定性。在HfSe?中摻雜N原子，N原子可以與Hf和Se原子形成化學鍵，增強晶格的穩(wěn)定性，同時還可能改變材料的電學和光學性質，為其在特定應用中的使用提供更多的可能性。穩(wěn)定性對材料應用的影響是多方面的。在柔性電子器件中，材料的化學穩(wěn)定性和力學穩(wěn)定性決定了器件的使用壽命和可靠性。如果材料在使用過程中容易發(fā)生化學變化或力學破壞，將導致器件性能下降甚至失效。在傳感器應用中，材料的穩(wěn)定性影響著傳感器的靈敏度和選擇性。穩(wěn)定的材料能夠提供更可靠的傳感信號，減少因材料性能變化而導致的誤判。提高二維ZrX?、HfX?的穩(wěn)定性對于推動其在各個領域的實際應用具有至關重要的作用，是實現其應用價值的關鍵環(huán)節(jié)之一。四、二維ZrX?、HfX?性質的影響因素4.1化學組成與原子排列的影響二維ZrX?、HfX?（X=S、Se）的化學組成和原子排列是決定其材料性質的關鍵內在因素，它們從微觀層面構建了材料的基本特性，對材料的電學、光學、力學等性質產生著深遠的影響。從化學組成來看，ZrX?和HfX?中過渡金屬原子（Zr、Hf）與硫族原子（S、Se）的種類和比例直接決定了材料的電子結構。不同的原子具有不同的電子構型和電負性，這會導致原子間的化學鍵性質和電子云分布發(fā)生變化。以ZrS?和HfS?為例，Zr和Hf雖然同屬第IVB族過渡金屬，但它們的原子半徑和電子結構存在差異。Hf的原子半徑略小于Zr，且其電子云分布更為緊湊，這使得Hf與S之間的化學鍵更強，電子云更偏向于Hf原子，從而影響了材料的電學性質。在電學性能上，這種差異導致HfS?的載流子遷移率高于ZrS?，這是因為更強的化學鍵使得電子在晶格中的散射減少，更有利于電子的傳輸。原子排列方式在二維ZrX?、HfX?中起著至關重要的作用，其層狀結構賦予了材料獨特的物理性質。在層內，過渡金屬原子與硫族原子通過強共價鍵形成穩(wěn)定的晶格結構，這種晶格結構決定了電子在層內的傳輸路徑和方式。在ZrSe?中，Zr原子與Se原子形成的六邊形晶格網絡，使得電子在層內具有一定的各向異性傳輸特性，在不同方向上的電導率存在差異。而層間通過較弱的范德華力相互作用，這種層間相互作用對材料的電學、光學和力學性質都有顯著影響。在電學方面，層間的弱相互作用使得電子在層間的傳輸受到較大阻礙，導致材料在平面內和垂直方向上的電導率存在巨大差異，這種各向異性的電學性質在一些電子器件應用中具有重要意義，可用于制備具有特定電學性能的器件。在光學方面，層間相互作用會影響材料的光吸收和發(fā)射特性，隨著層數的增加，層間相互作用增強，材料的帶隙會發(fā)生變化，從而導致光吸收和發(fā)射峰的位置和強度發(fā)生改變。在力學方面，層間的弱相互作用使得材料在受到外力時，層間容易發(fā)生相對滑動，這決定了材料的柔韌性和可彎曲性，使其在柔性電子器件中具有潛在的應用價值。為了深入探究化學組成和原子排列對材料性質的影響，我們通過理論計算和實驗研究進行了驗證。在理論計算方面，基于密度泛函理論（DFT）的計算方法被廣泛應用。通過構建ZrX?、HfX?的原子模型，利用DFT計算其電子結構、能帶結構和光學性質等，能夠從原子層面揭示化學組成和原子排列與材料性質之間的內在聯(lián)系。計算結果表明，當改變ZrX?、HfX?中過渡金屬原子或硫族原子的種類時，材料的能帶結構會發(fā)生明顯變化，帶隙大小和形狀都會改變，從而直接影響材料的電學和光學性質。在實驗研究方面，我們采用了多種先進的表征技術。利用掃描隧道顯微鏡（STM）和高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM），可以直接觀察二維ZrX?、HfX?的原子排列方式，獲取原子尺度的結構信息。通過分析STM和HRTEM圖像，能夠清晰地分辨出過渡金屬原子和硫族原子的位置關系，以及晶格的完整性和缺陷情況，為研究原子排列對材料性質的影響提供了直觀的實驗依據。拉曼光譜和光致發(fā)光光譜等光學表征技術也被用于研究化學組成和原子排列對材料光學性質的影響。不同化學組成和原子排列的ZrX?、HfX?具有不同的拉曼特征峰和光致發(fā)光特性，通過分析這些光譜特征，可以深入了解材料的結構與光學性質之間的關系。在ZrS?和HfS?的拉曼光譜中，由于化學組成的差異，它們的拉曼峰位置和強度存在明顯區(qū)別，這與理論計算中關于化學鍵性質和電子結構的預測結果相吻合。4.2生長條件對性質的調控生長條件在二維ZrX?、HfX?（X=S、Se）的性質調控中扮演著關鍵角色，深入研究生長溫度、壓力以及氣體流量等條件對材料性質的影響，對于優(yōu)化材料性能、拓展其應用領域具有重要意義。生長溫度對二維ZrX?、HfX?的性質有著多方面的顯著影響。在化學氣相沉積制備過程中，溫度直接影響反應前驅體的反應活性和擴散速率。以ZrS?的生長為例，當反應溫度較低時，如700℃，ZrCl?的升華速率較慢，與H?S的反應活性較低，導致薄膜生長速率緩慢，且容易出現結晶不完善的情況。在這種情況下，薄膜中可能存在較多的缺陷，這些缺陷會成為載流子的散射中心，降低載流子遷移率，進而影響材料的電學性能。從光學性質來看，結晶不完善的薄膜在光吸收和發(fā)射過程中會出現更多的能量損耗，導致光致發(fā)光峰寬化、強度降低，影響材料的光學性能。隨著反應溫度升高到850℃，ZrCl?升華速率加快，與H?S的反應活性增強，薄膜生長速率提高，能夠形成質量較好的薄膜。此時，薄膜的結晶質量得到改善，缺陷減少，載流子遷移率提高，電學性能得到優(yōu)化。在光學性能方面，高質量的薄膜具有更尖銳的光致發(fā)光峰，表明光生載流子的復合效率更高，材料的光學性能更優(yōu)。當反應溫度進一步升高到1000℃時，雖然薄膜生長速率更快，但過高的溫度可能會導致襯底與薄膜之間的熱應力增大，從而使薄膜出現裂紋或脫落等問題。過高的溫度還可能會引入更多的雜質，這些雜質會改變材料的電子結構，影響其電學和光學性能。壓力對二維ZrX?、HfX?的生長和性質也有著重要的影響。在化學氣相沉積過程中，反應壓力會影響反應氣體的濃度和分子間的碰撞頻率。在低壓條件下，反應氣體分子的平均自由程增大，分子間的碰撞頻率降低，這有利于反應前驅體在襯底表面的均勻擴散和吸附，從而促進薄膜的均勻生長。在制備HfSe?薄膜時，較低的反應壓力可以使HfCl?和H?Se分子更均勻地分布在反應空間中，減少局部濃度過高或過低的情況，使得薄膜在襯底表面的生長更加均勻，薄膜的厚度一致性更好。均勻生長的薄膜在電學性能上表現出更好的一致性，避免了因厚度不均勻導致的局部電學性能差異。壓力還會影響薄膜的晶體結構和缺陷密度。適當的低壓條件可以減少薄膜中的缺陷形成，提高晶體質量，從而改善材料的電學和光學性能。而在高壓條件下，反應氣體分子的碰撞頻率增加，反應速率加快，但可能會導致薄膜生長過快，來不及形成良好的晶體結構，從而引入更多的缺陷，降低材料的性能。氣體流量作為生長條件的重要參數之一，對二維ZrX?、HfX?的性質調控也起著關鍵作用。在化學氣相沉積中，反應氣體（如H?S、H?Se等）的流量直接影響反應前驅體的濃度，進而影響薄膜的生長速率和質量。對于ZrSe?薄膜的生長，當H?Se氣體流量過低時，如2sccm，反應前驅體的濃度較低，導致薄膜生長速率緩慢，且在襯底表面的分布不均勻，容易出現薄膜厚度不一致的情況。這種不均勻的薄膜在電學性能上會表現出明顯的差異，不同區(qū)域的載流子遷移率和電導率可能會有所不同，影響材料在電子器件中的應用性能。隨著H?Se氣體流量增加到5sccm，反應前驅體濃度增大，薄膜生長速率提高，均勻性也得到改善。此時，薄膜的電學性能更加穩(wěn)定，載流子遷移率和電導率的均勻性更好。但如果H?Se氣體流量過大，如8sccm，會導致反應過于劇烈，可能會在薄膜中引入過多的雜質，同時也會增加生產成本。這些雜質會對材料的電學和光學性能產生負面影響，降低材料的質量。為了優(yōu)化生長條件，可采取一系列有效的方法。在生長溫度的調控方面，需要根據不同的材料和生長需求，通過實驗和理論模擬相結合的方式，確定最佳的生長溫度范圍。可以建立生長溫度與材料性能之間的關系模型，通過對模型的分析和優(yōu)化，找到最適合材料生長的溫度點，以獲得高質量的薄膜。在壓力調控方面，需要精確控制反應壓力，可采用高精度的壓力控制系統(tǒng)，確保壓力的穩(wěn)定性和準確性。根據材料的生長特點，選擇合適的壓力條件，在保證薄膜質量的前提下，提高生長效率。在氣體流量調控方面，采用質量流量計等高精度設備精確控制氣體流量，同時優(yōu)化氣體混合和輸送系統(tǒng)，確保反應氣體在反應空間中均勻分布，以實現薄膜的均勻生長和性能優(yōu)化。通過對生長條件的精細調控，可以有效地改善二維ZrX?、HfX?的性質，為其在電子學、光電器件等領域的應用提供更優(yōu)質的材料基礎。4.3外界刺激下的性質變化研究二維ZrX?、HfX?（X=S、Se）在外界刺激下的性質變化，對于深入理解其物理特性以及拓展在傳感器、探測器等領域的應用具有重要意義。在電場刺激方面，當對二維ZrX?、HfX?施加外部電場時，其電學性質會發(fā)生顯著變化。以ZrS?為例，通過在基于ZrS?的場效應晶體管（FET）器件上施加柵極電壓來產生電場，實驗結果表明，隨著柵極電壓的變化，ZrS?的載流子濃度和遷移率也會相應改變。當柵極電壓增大時，更多的電子被注入到ZrS?中，導致載流子濃度增加，同時，電場的作用也會影響電子在晶格中的散射機制，從而改變載流子遷移率。這種電學性質隨電場的變化，在邏輯電路和傳感器應用中具有重要價值。在邏輯電路中，可以利用這種特性實現對電子器件開關狀態(tài)的精確控制，提高電路的運行效率和穩(wěn)定性；在傳感器應用中，可通過檢測電學性質的變化來感知外部電場的強度和變化，實現對電場信號的高靈敏度探測。在磁場刺激下，二維ZrX?、HfX?也展現出獨特的性質變化。由于這些材料中過渡金屬原子（Zr、Hf）具有一定的磁矩，在外部磁場的作用下，電子的自旋狀態(tài)會受到影響，進而改變材料的電學和光學性質。在HfSe?中，當施加外部磁場時，其電導率會發(fā)生變化，這是因為磁場對電子的自旋產生了作用，導致電子在傳輸過程中的散射機制發(fā)生改變。這種磁電效應使得二維ZrX?、HfX?在自旋電子學器件中具有潛在的應用前景，可用于制備磁傳感器、磁存儲器件等，通過檢測磁場變化引起的電學性質改變，實現對磁場信號的高效檢測和存儲。溫度作為一種常見的外界刺激因素，對二維ZrX?、HfX?的性質影響也十分顯著。隨著溫度的升高，材料的電學性質會發(fā)生明顯變化。在電學性能方面，載流子遷移率通常會降低，這是因為溫度升高會導致晶格振動加劇，增加了載流子與晶格振動的散射概率，從而阻礙了載流子的傳輸。在光學性能方面，溫度變化會影響材料的帶隙和光吸收特性。以ZrSe?為例，隨著溫度升高，其帶隙會發(fā)生紅移，光吸收峰也會向長波長方向移動，這是由于溫度引起的晶格膨脹和原子熱振動導致的電子結構變化所造成的。這種溫度依賴的性質變化在溫度傳感器和光電器件的溫度補償等應用中具有重要意義。在溫度傳感器中，可以利用材料電學或光學性質隨溫度的變化來精確測量溫度；在光電器件中，了解溫度對材料性質的影響，有助于設計有效的溫度補償機制，提高光電器件在不同溫度環(huán)境下的性能穩(wěn)定性。為了深入探究外界刺激下二維ZrX?、HfX?性質變化的機制，我們采用了理論計算和實驗研究相結合的方法。在理論計算方面，利用基于密度泛函理論（DFT）的計算方法，構建施加電場、磁場和不同溫度下的材料模型，計算電子結構、能帶結構以及載流子散射機制等，從原子層面揭示性質變化的內在原因。在電場作用下的計算結果表明，電場會改變材料的能帶結構，使得導帶和價帶的位置發(fā)生移動，從而影響載流子的分布和傳輸特性。在實驗研究方面，利用原位測試技術，如原位電學測試、原位光學測試等，實時監(jiān)測材料在外界刺激下的性質變化。通過原位電學測試，可以直接測量在不同電場、磁場和溫度條件下材料的電學參數，如電阻率、載流子遷移率等；通過原位光學測試，能夠實時觀察材料的光吸收、發(fā)射等光學性質的變化，為驗證理論計算結果和深入理解性質變化機制提供了直接的實驗證據。五、二維ZrX?、HfX?的應用探索5.1在電子器件中的應用潛力5.1.1晶體管應用二維ZrX?、HfX?在晶體管領域展現出了巨大的應用潛力，有望成為推動下一代高性能晶體管發(fā)展的關鍵材料。與傳統(tǒng)的硅基晶體管相比，基于二維ZrX?、HfX?的晶體管具有諸多獨特的優(yōu)勢。這些材料具有原子級的厚度，這使得柵極能夠更有效地控制溝道中的載流子，實現更好的靜電控制。在二維ZrX?、HfX?晶體管中，由于材料厚度極薄，柵極電場能夠更均勻地穿透溝道，減少了短溝道效應的影響，從而提高了晶體管的性能和穩(wěn)定性。以ZrS?晶體管為例，其原子級厚度使得柵極能夠對溝道中的電子進行精確控制，有效抑制了漏電流的產生，提高了開關比，使得晶體管在邏輯電路中的應用更加高效和可靠。二維ZrX?、HfX?具有較高的載流子遷移率，這對于提高晶體管的運行速度至關重要。如前文所述，ZrS?和HfS?在室溫下的載流子遷移率分別可達1247cm2V?1s?1和1833cm2V?1s?1，遠高于一些常見的半導體材料。高載流子遷移率意味著電子在溝道中能夠快速傳輸，減少了信號傳輸的延遲，提高了晶體管的開關速度，從而使得基于這些材料的集成電路能夠實現更高的運行頻率和更快的數據處理速度。在高速計算和通信領域，這種高載流子遷移率的特性能夠滿足對高性能晶體管的需求，推動相關技術的發(fā)展。然而，將二維ZrX?、HfX?應用于晶體管仍面臨著一些嚴峻的挑戰(zhàn)。材料與襯底之間的兼容性問題是其中之一。由于二維ZrX?、HfX?與常見的襯底（如硅襯底）的晶格常數和熱膨脹系數存在差異，在生長或集成過程中容易產生應力，導致薄膜的質量下降，甚至出現裂紋或脫落等問題。這種應力還可能影響材料的電學性能，降低晶體管的性能和可靠性。為了解決這一問題，需要開發(fā)合適的緩沖層或界面工程技術，以改善材料與襯底之間的兼容性，減少應力的產生?？梢栽谝r底表面生長一層與二維ZrX?、HfX?晶格匹配的緩沖層，如在硅襯底上生長一層與ZrS?晶格匹配的過渡層，通過緩沖層來緩解晶格失配和熱膨脹系數差異帶來的應力，提高薄膜的生長質量和穩(wěn)定性。電極與材料的歐姆接觸也是一個關鍵問題。實現良好的歐姆接觸對于降低接觸電阻、提高晶體管的性能至關重要。然而，二維ZrX?、HfX?與傳統(tǒng)電極材料之間的接觸電阻往往較高，這會導致信號傳輸過程中的能量損耗增加，降低晶體管的效率。為了改善歐姆接觸，可以采用金屬合金電極、表面修飾等方法。研究發(fā)現，在HfS?晶體管中，采用經過特殊處理的金屬合金電極，并對HfS?表面進行適當的修飾，能夠有效地降低接觸電阻，提高晶體管的性能。通過在HfS?表面引入特定的官能團，改變表面的電子結構，增強與電極之間的相互作用，從而實現良好的歐姆接觸。5.1.2傳感器應用二維ZrX?、HfX?憑借其獨特的物理化學性質，在傳感器領域展現出了廣闊的應用前景，為開發(fā)高靈敏度、高選擇性的傳感器提供了新的材料選擇。這些材料具有較大的比表面積，原子級的厚度使得表面原子比例高，這為氣體分子的吸附提供了豐富的位點。當氣體分子吸附在二維Zr