基于四探針掃描隧道顯微鏡：石墨烯與二硫化鉬輸運(yùn)性質(zhì)的深度剖析一、引言1.1研究背景與意義在材料科學(xué)的廣袤領(lǐng)域中，二維材料憑借其獨(dú)特的原子結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的物理性質(zhì)，成為了研究的焦點(diǎn)。其中，石墨烯和二硫化鉬作為典型的二維材料，以其獨(dú)特的電學(xué)、力學(xué)、光學(xué)等性質(zhì)，在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力，吸引了科研人員的廣泛關(guān)注。石墨烯，自2004年被成功剝離以來，因其僅由一層碳原子組成的蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)，而呈現(xiàn)出諸多優(yōu)異的性能。它具有高達(dá)105cm2V?1s?1量級(jí)的載流子遷移率，這意味著電子在石墨烯中能夠快速移動(dòng)，使得石墨烯在高速電子器件應(yīng)用中極具潛力；其熱導(dǎo)率可達(dá)3000Wm?1K?1，良好的導(dǎo)熱性使其在散熱領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值；同時(shí)，石墨烯還具備出色的力學(xué)強(qiáng)度，能夠承受較大的拉伸應(yīng)力。這些優(yōu)異的性能，使得石墨烯在高速晶體管、高性能集成電路、柔性電子器件、傳感器、儲(chǔ)能等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。在高速晶體管方面，石墨烯晶體管有望實(shí)現(xiàn)更高的運(yùn)算速度和更低的能耗；在柔性電子器件中，石墨烯的柔韌性和導(dǎo)電性使其成為制造可穿戴設(shè)備的理想材料；在傳感器領(lǐng)域，石墨烯對(duì)某些氣體分子具有特殊的吸附和電學(xué)響應(yīng)特性，可用于高靈敏度氣體傳感器的制備。二硫化鉬（MoS?）同樣是一種備受矚目的二維材料。它具有由S-Mo-S化學(xué)鍵組成的三明治結(jié)構(gòu)，是一種直接帶隙半導(dǎo)體，其能帶隙約為1.8eV，這一特性使得二硫化鉬在半導(dǎo)體器件應(yīng)用中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)了石墨烯零帶隙的不足。單層二硫化鉬還具有較強(qiáng)的自旋-軌道耦合效應(yīng)，導(dǎo)致了K谷出現(xiàn)圓極化光選擇定則，即K谷底部只存在上自旋的空穴，而-K谷底部只存在下自旋的空穴，這種自旋谷鎖定效應(yīng)使得二硫化鉬在谷電子學(xué)和光電器件領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。例如，在谷電子學(xué)中，可利用這種特性實(shí)現(xiàn)基于谷自由度的信息存儲(chǔ)和處理；在光電器件方面，二硫化鉬可用于制備光電探測(cè)器、發(fā)光二極管等，能夠有效地進(jìn)行光電信息傳遞。輸運(yùn)性質(zhì)是材料的關(guān)鍵物理性質(zhì)之一，它直接關(guān)系到材料在電子學(xué)、能源等領(lǐng)域的應(yīng)用性能。深入研究石墨烯和二硫化鉬的輸運(yùn)性質(zhì)，對(duì)于理解其內(nèi)在物理機(jī)制、優(yōu)化材料性能以及拓展應(yīng)用領(lǐng)域具有至關(guān)重要的意義。通過研究輸運(yùn)性質(zhì)，可以揭示材料中載流子的散射機(jī)制、遷移率等關(guān)鍵參數(shù)，從而為材料的性能優(yōu)化提供理論依據(jù)。在實(shí)際應(yīng)用中，輸運(yùn)性質(zhì)的優(yōu)劣直接影響著電子器件的性能，如晶體管的開關(guān)速度、集成電路的運(yùn)行效率等。因此，精確測(cè)量和深入理解石墨烯和二硫化鉬的輸運(yùn)性質(zhì)，是推動(dòng)其在電子器件等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。四探針掃描隧道顯微鏡（STM）作為一種具有原子級(jí)分辨率的先進(jìn)探測(cè)技術(shù)，能夠在微觀尺度上對(duì)材料的輸運(yùn)性質(zhì)進(jìn)行精確測(cè)量。它不僅可以提供材料表面的原子級(jí)形貌信息，還能夠通過四探針測(cè)量方法，準(zhǔn)確地獲取材料的電阻率、載流子遷移率等輸運(yùn)參數(shù)。與傳統(tǒng)的輸運(yùn)測(cè)量方法相比，四探針STM具有諸多優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)方法通常只能提供材料的宏觀輸運(yùn)信息，難以深入到微觀尺度，而四探針STM能夠在原子尺度上對(duì)材料的局域輸運(yùn)性質(zhì)進(jìn)行研究，為揭示材料的微觀輸運(yùn)機(jī)制提供了有力手段。此外，四探針STM還可以在超高真空環(huán)境下進(jìn)行測(cè)量，避免了外界環(huán)境對(duì)測(cè)量結(jié)果的干擾，從而能夠獲得更加準(zhǔn)確和本征的輸運(yùn)性質(zhì)數(shù)據(jù)。在研究石墨烯的晶界輸運(yùn)性質(zhì)時(shí)，四探針STM發(fā)揮了重要作用。通過對(duì)轉(zhuǎn)移到SiO?/Si襯底上的雙晶石墨烯進(jìn)行測(cè)量，研究人員利用四探針法無損地測(cè)量了雙晶石墨烯兩側(cè)晶疇以及跨晶界的二維電阻，并建立了晶界擴(kuò)展模型，成功提取了石墨烯晶界的電阻率。研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯晶界處的電阻率范圍從幾到100多kΩ?μm不等，缺陷區(qū)域的載流子遷移率下降到單晶純石墨烯的0.4-5.9%，這為理解石墨烯多晶材料的輸運(yùn)特性提供了重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。在二硫化鉬的研究中，四探針STM也能夠?qū)ζ浔砻娴脑咏Y(jié)構(gòu)和電子態(tài)進(jìn)行精確表征，進(jìn)而研究其輸運(yùn)性質(zhì)與原子結(jié)構(gòu)、電子態(tài)之間的關(guān)系。綜上所述，本研究利用四探針掃描隧道顯微鏡對(duì)石墨烯和二硫化鉬的輸運(yùn)性質(zhì)進(jìn)行深入研究，旨在揭示這兩種二維材料在微觀尺度下的輸運(yùn)機(jī)制，為其在電子學(xué)、能源等領(lǐng)域的應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)依據(jù)，推動(dòng)二維材料科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展。1.2研究目的與創(chuàng)新點(diǎn)本研究旨在利用四探針掃描隧道顯微鏡（STM）這一先進(jìn)技術(shù)，深入探究石墨烯和二硫化鉬的輸運(yùn)性質(zhì)，力求揭示其在微觀尺度下的輸運(yùn)機(jī)制，為這兩種二維材料在電子學(xué)、能源等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的理論和實(shí)驗(yàn)支撐。具體而言，研究目的主要涵蓋以下幾個(gè)方面：精確測(cè)量石墨烯和二硫化鉬的電阻率、載流子遷移率等關(guān)鍵輸運(yùn)參數(shù)，獲取其在不同條件下的變化規(guī)律，為材料性能的評(píng)估提供量化依據(jù)。通過四探針STM的高分辨率成像和測(cè)量功能，深入研究缺陷、晶界、褶皺等微觀結(jié)構(gòu)對(duì)石墨烯和二硫化鉬輸運(yùn)性質(zhì)的影響，明確微觀結(jié)構(gòu)與輸運(yùn)性能之間的關(guān)聯(lián)，為材料的性能優(yōu)化和質(zhì)量提升提供指導(dǎo)。在原子尺度上，深入探究石墨烯和二硫化鉬的電子態(tài)與輸運(yùn)性質(zhì)的內(nèi)在聯(lián)系，揭示電子的散射機(jī)制、輸運(yùn)路徑等微觀物理過程，深化對(duì)二維材料電子輸運(yùn)現(xiàn)象的本質(zhì)理解。結(jié)合理論計(jì)算和模擬，對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行深入分析和解釋，建立更加完善的理論模型，預(yù)測(cè)材料在不同條件下的輸運(yùn)行為，為新型二維材料器件的設(shè)計(jì)和開發(fā)提供理論指導(dǎo)。本研究的創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：在研究方法上，創(chuàng)新性地將四探針STM技術(shù)與多種先進(jìn)的表征手段相結(jié)合，如拉曼光譜、光電子能譜等，實(shí)現(xiàn)對(duì)石墨烯和二硫化鉬輸運(yùn)性質(zhì)的多維度、全方位研究，克服單一技術(shù)的局限性，獲取更加全面和準(zhǔn)確的信息。在研究對(duì)象上，關(guān)注石墨烯和二硫化鉬的異質(zhì)結(jié)構(gòu)以及與襯底的相互作用對(duì)輸運(yùn)性質(zhì)的影響，探索新型二維材料體系的構(gòu)建和性能調(diào)控方法，為拓展二維材料的應(yīng)用領(lǐng)域提供新的思路和途徑。在實(shí)驗(yàn)技術(shù)上，通過優(yōu)化四探針STM的測(cè)量條件和數(shù)據(jù)處理方法，提高測(cè)量的精度和可靠性，實(shí)現(xiàn)對(duì)材料輸運(yùn)性質(zhì)的更精確表征，為二維材料的研究提供更有力的實(shí)驗(yàn)支持。此外，還將探索利用外部場(chǎng)（如電場(chǎng)、磁場(chǎng)）對(duì)石墨烯和二硫化鉬輸運(yùn)性質(zhì)進(jìn)行調(diào)控的新方法，研究其在量子輸運(yùn)、自旋電子學(xué)等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用，為二維材料在新興領(lǐng)域的應(yīng)用開辟新的方向。1.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀自2004年石墨烯被成功剝離以來，其獨(dú)特的電學(xué)、力學(xué)、光學(xué)等性質(zhì)吸引了全球科研人員的廣泛關(guān)注，在石墨烯輸運(yùn)性質(zhì)的研究方面取得了豐碩的成果。在早期的研究中，人們主要利用傳統(tǒng)的輸運(yùn)測(cè)量方法，如范德堡法，對(duì)石墨烯的宏觀輸運(yùn)性質(zhì)進(jìn)行研究，測(cè)量其載流子遷移率、電阻率等參數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)石墨烯具有高達(dá)105cm2V?1s?1量級(jí)的載流子遷移率，這一優(yōu)異的電學(xué)性能使其在電子器件領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。隨著研究的深入，科研人員逐漸關(guān)注到石墨烯微觀結(jié)構(gòu)對(duì)輸運(yùn)性質(zhì)的影響。缺陷、晶界、褶皺等微觀結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致載流子的散射，從而影響石墨烯的輸運(yùn)性能。中國(guó)科學(xué)院物理研究所的研究團(tuán)隊(duì)利用四探針STM對(duì)轉(zhuǎn)移到SiO?/Si襯底上的雙晶石墨烯進(jìn)行研究，通過四探針法無損地測(cè)量了雙晶石墨烯兩側(cè)晶疇以及跨晶界的二維電阻，并建立晶界擴(kuò)展模型，成功提取了石墨烯晶界的電阻率。研究結(jié)果表明，石墨烯晶界處的電阻率范圍從幾到100多kΩ?μm不等，缺陷區(qū)域的載流子遷移率下降到單晶純石墨烯的0.4-5.9%，這一成果為理解石墨烯多晶材料的輸運(yùn)特性提供了重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。在對(duì)石墨烯褶皺的輸運(yùn)測(cè)試中，也發(fā)現(xiàn)褶皺處的電阻率與晶界處有相似的變化規(guī)律，進(jìn)一步揭示了微觀結(jié)構(gòu)對(duì)輸運(yùn)性質(zhì)的影響。在國(guó)際上，美國(guó)、英國(guó)、韓國(guó)等國(guó)家的科研團(tuán)隊(duì)也在石墨烯輸運(yùn)性質(zhì)研究方面取得了一系列重要成果。美國(guó)的研究人員通過對(duì)石墨烯納米帶的輸運(yùn)性質(zhì)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)其邊緣態(tài)對(duì)載流子的傳輸有重要影響，不同的邊緣結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致不同的輸運(yùn)特性。英國(guó)的科研團(tuán)隊(duì)利用低溫掃描隧道顯微鏡研究了石墨烯在磁場(chǎng)下的量子輸運(yùn)現(xiàn)象，觀測(cè)到了量子霍爾效應(yīng)等新奇的量子現(xiàn)象，為石墨烯在量子器件領(lǐng)域的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。韓國(guó)的研究小組則專注于研究石墨烯與襯底的相互作用對(duì)輸運(yùn)性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)合適的襯底可以改善石墨烯的電學(xué)性能，提高其載流子遷移率。二硫化鉬作為另一種重要的二維材料，近年來也成為研究的熱點(diǎn)。由于其具有直接帶隙和較強(qiáng)的自旋-軌道耦合效應(yīng)，在半導(dǎo)體器件、谷電子學(xué)和光電器件等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，對(duì)其輸運(yùn)性質(zhì)的研究也日益深入。科研人員利用多種實(shí)驗(yàn)技術(shù)，如場(chǎng)效應(yīng)晶體管測(cè)量、光致發(fā)光光譜等，對(duì)二硫化鉬的輸運(yùn)性質(zhì)進(jìn)行了廣泛的研究。通過場(chǎng)效應(yīng)晶體管測(cè)量，研究人員可以獲取二硫化鉬的載流子遷移率、閾值電壓等關(guān)鍵參數(shù)，從而評(píng)估其在半導(dǎo)體器件中的應(yīng)用性能。研究發(fā)現(xiàn)，單層二硫化鉬的載流子遷移率可達(dá)約500cm2/(Vs)，電流開關(guān)率達(dá)到10^8，這表明二硫化鉬在高速開關(guān)器件方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。在二硫化鉬的異質(zhì)結(jié)構(gòu)研究方面，國(guó)內(nèi)外科研團(tuán)隊(duì)也取得了顯著進(jìn)展。中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所的研究人員制備了石墨烯/二硫化鉬異質(zhì)結(jié)，并對(duì)其輸運(yùn)性質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。他們發(fā)現(xiàn)，在石墨烯/二硫化鉬異質(zhì)結(jié)中，由于兩種材料之間的界面耦合作用，會(huì)產(chǎn)生新的電子態(tài)和輸運(yùn)特性，通過調(diào)控柵極電壓，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)異質(zhì)結(jié)輸運(yùn)性質(zhì)的有效調(diào)控。國(guó)外的研究團(tuán)隊(duì)則通過分子束外延等技術(shù)制備了高質(zhì)量的二硫化鉬/六方氮化硼異質(zhì)結(jié)構(gòu)，研究發(fā)現(xiàn)這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有良好的穩(wěn)定性和電學(xué)性能，在未來的高速電子器件和光電器件中具有潛在的應(yīng)用前景。四探針STM作為一種能夠在微觀尺度上對(duì)材料輸運(yùn)性質(zhì)進(jìn)行精確測(cè)量的先進(jìn)技術(shù)，在石墨烯和二硫化鉬的研究中發(fā)揮了重要作用。國(guó)內(nèi)外多個(gè)研究小組利用四探針STM對(duì)石墨烯和二硫化鉬的輸運(yùn)性質(zhì)進(jìn)行了深入研究，取得了一系列重要成果。除了上述提到的對(duì)石墨烯晶界和褶皺輸運(yùn)性質(zhì)的研究外，科研人員還利用四探針STM研究了二硫化鉬的表面電子態(tài)與輸運(yùn)性質(zhì)的關(guān)系。通過對(duì)二硫化鉬表面原子結(jié)構(gòu)和電子態(tài)的精確表征，發(fā)現(xiàn)表面的缺陷和雜質(zhì)會(huì)影響電子的散射過程，進(jìn)而影響二硫化鉬的輸運(yùn)性質(zhì)。在對(duì)二硫化鉬納米片的研究中，利用四探針STM測(cè)量了其不同位置的電阻率和載流子遷移率，發(fā)現(xiàn)納米片邊緣和中心區(qū)域的輸運(yùn)性質(zhì)存在明顯差異，這為二硫化鉬納米材料的應(yīng)用提供了重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。盡管在石墨烯和二硫化鉬輸運(yùn)性質(zhì)的研究方面已經(jīng)取得了眾多成果，但仍存在一些亟待解決的問題。在石墨烯方面，如何進(jìn)一步提高多晶石墨烯的質(zhì)量，減少晶界和缺陷對(duì)輸運(yùn)性質(zhì)的影響，仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。在二硫化鉬的研究中，如何實(shí)現(xiàn)二硫化鉬與其他材料的高質(zhì)量集成，以及如何進(jìn)一步提高二硫化鉬器件的性能，也是需要深入研究的課題。此外，對(duì)于石墨烯和二硫化鉬在復(fù)雜環(huán)境下的輸運(yùn)性質(zhì)，如高溫、高壓、強(qiáng)磁場(chǎng)等條件下的輸運(yùn)行為，目前的研究還相對(duì)較少，有待進(jìn)一步探索。二、理論基礎(chǔ)2.1石墨烯和二硫化鉬的基本性質(zhì)2.1.1石墨烯的結(jié)構(gòu)與特性石墨烯是一種由碳原子以六邊形晶格緊密排列而成的二維材料，其結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出完美的蜂窩狀。每個(gè)碳原子通過共價(jià)鍵與相鄰的三個(gè)碳原子相連，形成了穩(wěn)定而獨(dú)特的平面結(jié)構(gòu)。這種獨(dú)特的原子排列方式賦予了石墨烯諸多優(yōu)異的物理性質(zhì)。從電子結(jié)構(gòu)角度來看，石墨烯具有獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu)。其價(jià)帶和導(dǎo)帶在K點(diǎn)（狄拉克點(diǎn)）處相交，形成零帶隙的線性色散關(guān)系，電子在其中表現(xiàn)出無質(zhì)量的狄拉克費(fèi)米子行為。這使得石墨烯具有極高的載流子遷移率，理論上可達(dá)2×10?cm2V?1s?1，實(shí)驗(yàn)中也能達(dá)到10?cm2V?1s?1量級(jí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料。高載流子遷移率意味著電子在石墨烯中能夠快速移動(dòng)，使得石墨烯在高速電子器件應(yīng)用中極具潛力，有望實(shí)現(xiàn)更高的運(yùn)算速度和更低的能耗。在力學(xué)性能方面，石墨烯展現(xiàn)出驚人的強(qiáng)度。由于其碳原子之間的共價(jià)鍵具有較高的鍵能，使得石墨烯能夠承受較大的拉伸應(yīng)力。研究表明，石墨烯的楊氏模量約為1.0TPa，斷裂強(qiáng)度可達(dá)130GPa，這使其在柔性電子器件中具有重要的應(yīng)用價(jià)值，能夠滿足可穿戴設(shè)備等對(duì)材料柔韌性和力學(xué)強(qiáng)度的要求。石墨烯還具有出色的熱導(dǎo)率，可達(dá)3000Wm?1K?1，良好的導(dǎo)熱性使其在散熱領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，可用于制備高性能的散熱材料，有效解決電子器件在工作過程中的散熱問題。此外，石墨烯對(duì)某些氣體分子具有特殊的吸附和電學(xué)響應(yīng)特性，可用于高靈敏度氣體傳感器的制備，通過檢測(cè)石墨烯與氣體分子相互作用后電學(xué)性能的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定氣體的快速、靈敏檢測(cè)。2.1.2二硫化鉬的結(jié)構(gòu)與特性二硫化鉬（MoS?）是一種典型的層狀過渡金屬硫族化合物，其結(jié)構(gòu)由S-Mo-S化學(xué)鍵組成的三明治結(jié)構(gòu)單元通過范德華力相互堆疊而成。單層二硫化鉬的厚度約為0.65nm，晶格類型為六角晶格（2H相），晶格常數(shù)約為0.315nm。在這種結(jié)構(gòu)中，Mo原子位于中間層，被上下兩層S原子以三棱柱配位的方式包圍，形成了穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。與石墨烯不同，二硫化鉬是一種直接帶隙半導(dǎo)體，其能帶隙約為1.8eV，這一特性使得二硫化鉬在半導(dǎo)體器件應(yīng)用中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，能夠彌補(bǔ)石墨烯零帶隙的不足，可用于制備晶體管、邏輯電路等半導(dǎo)體器件。同時(shí)，單層二硫化鉬還具有較強(qiáng)的自旋-軌道耦合效應(yīng)，導(dǎo)致了K谷出現(xiàn)圓極化光選擇定則，即K谷底部只存在上自旋的空穴，而-K谷底部只存在下自旋的空穴，這種自旋谷鎖定效應(yīng)使得二硫化鉬在谷電子學(xué)和光電器件領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。在谷電子學(xué)中，可利用這種特性實(shí)現(xiàn)基于谷自由度的信息存儲(chǔ)和處理；在光電器件方面，二硫化鉬可用于制備光電探測(cè)器、發(fā)光二極管等，能夠有效地進(jìn)行光電信息傳遞。在電學(xué)性能方面，單層二硫化鉬的載流子遷移率可達(dá)約500cm2/(Vs)，電流開關(guān)率達(dá)到10^8，這表明二硫化鉬在高速開關(guān)器件方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。通過場(chǎng)效應(yīng)晶體管測(cè)量等實(shí)驗(yàn)技術(shù)，可以獲取二硫化鉬的載流子遷移率、閾值電壓等關(guān)鍵參數(shù)，從而評(píng)估其在半導(dǎo)體器件中的應(yīng)用性能。二硫化鉬還具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械性能，能夠在一定程度上抵抗外界環(huán)境的影響，保證器件的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)使得二硫化鉬在催化、潤(rùn)滑等領(lǐng)域也具有廣泛的應(yīng)用前景。在催化領(lǐng)域，二硫化鉬可作為催化劑用于加氫脫硫、析氫反應(yīng)等；在潤(rùn)滑領(lǐng)域，由于其層間較弱的范德華力，二硫化鉬具有良好的潤(rùn)滑性能，可用于制備高性能的潤(rùn)滑劑。2.2四探針掃描隧道顯微鏡原理四探針掃描隧道顯微鏡（STM）的工作原理基于量子隧穿效應(yīng)，這是一種量子力學(xué)現(xiàn)象，允許電子等微觀粒子以一定概率穿過高于其自身能量的勢(shì)壘。在STM中，當(dāng)一根非常尖銳的探針與樣品表面之間的距離接近到納米尺度（通常小于1nm）時(shí)，即使探針和樣品之間存在一定的真空勢(shì)壘，由于電子的波動(dòng)性，電子也有一定概率從探針?biāo)泶┑綐悠罚蛘邚臉悠匪泶┑教结?，從而形成隧道電流。隧道電流I的大小與探針和樣品之間的距離S、偏置電壓Vb以及它們的平均功函數(shù)Φ有關(guān)，其關(guān)系可以用以下公式表示：I=AV_be^{-\frac{2S}{\Phi}}其中，A為常數(shù)，在真空條件下約等于1?？梢钥闯?，隧道電流對(duì)探針與樣品表面之間的距離極為敏感，如果距離S減小0.1nm，隧道電流I將增加一個(gè)數(shù)量級(jí)。這一特性使得STM能夠通過精確控制隧道電流的大小來探測(cè)樣品表面原子級(jí)的形貌變化。STM主要有兩種掃描模式：恒電流模式和恒高度模式。在恒電流模式下，通過電子反饋線路實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)探針與樣品之間的距離，使隧道電流保持恒定。當(dāng)探針在樣品表面掃描時(shí)，由于樣品表面原子的凹凸不平，探針與樣品間的距離會(huì)發(fā)生變化，為了維持恒定的隧道電流，反饋系統(tǒng)會(huì)相應(yīng)地調(diào)整探針的高度。通過記錄探針在垂直于樣品方向上的高度變化，就可以得到樣品表面的形貌信息。這種掃描模式適用于觀察表面形貌起伏較大的樣品，并且可以通過加在z向驅(qū)動(dòng)器上的電壓值推算表面起伏高度的數(shù)值，是一種常用的掃描模式。在恒高度模式下，探針在樣品表面以固定的高度進(jìn)行掃描。由于樣品表面原子的起伏，探針與樣品間的距離會(huì)發(fā)生改變，從而導(dǎo)致隧道電流發(fā)生變化。通過記錄隧道電流的變化，也可以得到樣品表面態(tài)密度的分布信息。這種掃描模式的特點(diǎn)是掃描速度快，能夠減少噪音和熱漂移對(duì)信號(hào)的影響，但一般不能用于觀察表面起伏大于1nm的樣品，因?yàn)楫?dāng)表面起伏過大時(shí)，探針可能會(huì)與樣品表面發(fā)生碰撞，損壞探針或樣品。四探針STM在進(jìn)行輸運(yùn)性質(zhì)測(cè)量時(shí)，除了利用上述掃描隧道效應(yīng)獲取樣品表面形貌信息外，還通過四探針測(cè)量方法來獲取材料的輸運(yùn)參數(shù)。四探針法是一種常用的測(cè)量材料電阻率等輸運(yùn)參數(shù)的方法，其基本原理是利用四根探針與樣品接觸，其中兩根探針用于施加電流，另外兩根探針用于測(cè)量電壓。通過測(cè)量這兩根電壓探針之間的電壓降，并結(jié)合施加的電流大小以及樣品的幾何尺寸等信息，可以精確地計(jì)算出材料的電阻率等輸運(yùn)參數(shù)。在四探針STM中，四根探針通常被精確地定位在樣品表面的特定位置，并且可以通過微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)或其他高精度的定位裝置進(jìn)行精確控制。當(dāng)對(duì)樣品施加電流時(shí)，電流會(huì)在樣品中流動(dòng)，由于樣品存在一定的電阻，會(huì)在電壓探針之間產(chǎn)生電壓降。通過測(cè)量這個(gè)電壓降，并利用四探針測(cè)量公式，可以計(jì)算出樣品在該位置的電阻率。\rho=2\pis\frac{V}{I}其中，\rho為電阻率，s為探針間距，V為電壓探針之間的電壓降，I為施加的電流。通過在樣品表面不同位置進(jìn)行四探針測(cè)量，可以得到材料表面的電阻率分布，從而研究材料的輸運(yùn)性質(zhì)在微觀尺度上的變化規(guī)律。同時(shí)，結(jié)合STM的高分辨率成像功能，可以將輸運(yùn)性質(zhì)的變化與樣品表面的原子結(jié)構(gòu)、缺陷等微觀特征進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，深入揭示材料的微觀輸運(yùn)機(jī)制。在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，四探針STM的控制系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)記錄隧道電流、探針的位置信息以及四探針測(cè)量得到的電壓和電流數(shù)據(jù)等。這些數(shù)據(jù)經(jīng)過放大、濾波等處理后，被傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的分析和處理。計(jì)算機(jī)通過專門的軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將隧道電流的變化轉(zhuǎn)化為樣品表面的形貌圖像，將四探針測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為材料的輸運(yùn)參數(shù)，并可以進(jìn)行圖像分析、數(shù)據(jù)擬合等操作，從而得到關(guān)于樣品表面結(jié)構(gòu)和輸運(yùn)性質(zhì)的詳細(xì)信息。通過對(duì)這些數(shù)據(jù)的分析，可以研究材料的電學(xué)性質(zhì)、載流子遷移率、散射機(jī)制等與輸運(yùn)性質(zhì)相關(guān)的物理量，為深入理解材料的電子輸運(yùn)行為提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。2.3輸運(yùn)性質(zhì)相關(guān)理論輸運(yùn)性質(zhì)是描述材料中電荷、能量等物理量傳輸行為的重要性質(zhì)，對(duì)于理解材料的電學(xué)、熱學(xué)等性能具有關(guān)鍵作用。在研究石墨烯和二硫化鉬時(shí)，深入了解輸運(yùn)性質(zhì)相關(guān)理論是解讀實(shí)驗(yàn)結(jié)果、揭示材料內(nèi)在物理機(jī)制的基礎(chǔ)。電導(dǎo)率（\sigma）是衡量材料導(dǎo)電能力的重要物理量，其定義為電流密度（J）與電場(chǎng)強(qiáng)度（E）之比，即\sigma=\frac{J}{E}。從微觀角度來看，電導(dǎo)率與材料中載流子的濃度（n）、電荷量（q）以及遷移率（\mu）密切相關(guān)，其關(guān)系可表示為\sigma=nq\mu。這表明，材料的電導(dǎo)率不僅取決于載流子的數(shù)量，還與載流子在電場(chǎng)作用下的移動(dòng)能力緊密相連。在金屬導(dǎo)體中，大量的自由電子使得其載流子濃度較高，且電子在晶格中受散射較小，遷移率較大，因此金屬通常具有較高的電導(dǎo)率。而在半導(dǎo)體材料中，載流子濃度和遷移率受到材料的能帶結(jié)構(gòu)、摻雜等因素的影響，其電導(dǎo)率相對(duì)金屬較低，但可通過摻雜等方式進(jìn)行調(diào)控。載流子遷移率（\mu）是描述載流子在單位電場(chǎng)強(qiáng)度下平均漂移速度的物理量，其定義為\mu=\frac{v_d}{E}，其中v_d為載流子的漂移速度。載流子遷移率的大小反映了載流子在材料中移動(dòng)的難易程度，受到多種因素的影響。在晶體材料中，晶格振動(dòng)是影響載流子遷移率的重要因素之一。晶格振動(dòng)會(huì)使晶格原子偏離平衡位置，形成晶格畸變，這種畸變會(huì)對(duì)載流子產(chǎn)生散射作用，阻礙載流子的運(yùn)動(dòng)，從而降低載流子遷移率。隨著溫度的升高，晶格振動(dòng)加劇，載流子與晶格振動(dòng)的相互作用增強(qiáng)，散射概率增大，遷移率下降。雜質(zhì)和缺陷也是影響載流子遷移率的關(guān)鍵因素。雜質(zhì)原子的引入會(huì)破壞晶格的周期性，形成額外的散射中心，使載流子在運(yùn)動(dòng)過程中更容易受到散射，從而降低遷移率。例如，在半導(dǎo)體材料中，摻雜雜質(zhì)會(huì)引入額外的載流子，但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致雜質(zhì)散射，當(dāng)摻雜濃度過高時(shí)，雜質(zhì)散射占主導(dǎo)地位，載流子遷移率會(huì)顯著下降。材料中的缺陷，如空位、位錯(cuò)等，也會(huì)對(duì)載流子產(chǎn)生散射作用，影響載流子的遷移率。材料的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)輸運(yùn)性質(zhì)有著顯著的影響。在晶體材料中，晶體結(jié)構(gòu)決定了原子的排列方式和電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，進(jìn)而影響電導(dǎo)率和載流子遷移率。對(duì)于具有不同晶體結(jié)構(gòu)的材料，其電子的散射機(jī)制和遷移率各不相同。金屬晶體結(jié)構(gòu)中，自由電子在晶格中自由移動(dòng)，形成導(dǎo)電通道，電子主要受到晶格振動(dòng)和電子-聲子相互作用的散射，而在半導(dǎo)體晶體中，電子的傳輸則受到能帶結(jié)構(gòu)和缺陷的影響。晶界是多晶材料中晶粒之間的界面區(qū)域，晶界處原子排列不規(guī)則，存在大量的缺陷和雜質(zhì)，這些因素會(huì)導(dǎo)致晶界對(duì)載流子產(chǎn)生強(qiáng)烈的散射作用，從而顯著影響材料的輸運(yùn)性質(zhì)。當(dāng)載流子通過晶界時(shí)，會(huì)與晶界處的缺陷和雜質(zhì)相互作用，散射概率增大，遷移率降低，使得晶界處的電阻率升高。在多晶石墨烯中，晶界處的電阻率可高達(dá)幾到100多kΩ?μm不等，缺陷區(qū)域的載流子遷移率下降到單晶純石墨烯的0.4-5.9%。在二維材料中，由于其原子平面的二維特性，載流子的運(yùn)動(dòng)主要局限在二維平面內(nèi)，與三維材料相比，具有獨(dú)特的輸運(yùn)性質(zhì)。石墨烯的二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)使其具有零帶隙的線性色散關(guān)系，電子表現(xiàn)出無質(zhì)量的狄拉克費(fèi)米子行為，具有極高的載流子遷移率。但石墨烯中的缺陷、褶皺等微觀結(jié)構(gòu)會(huì)破壞其晶格的完美性，導(dǎo)致載流子散射增強(qiáng)，影響其輸運(yùn)性能。二硫化鉬的三明治結(jié)構(gòu)和直接帶隙特性，使其載流子遷移率和電導(dǎo)率受到能帶結(jié)構(gòu)、缺陷以及層間相互作用等因素的影響。在研究二維材料的輸運(yùn)性質(zhì)時(shí)，需要充分考慮其微觀結(jié)構(gòu)的特殊性，以及微觀結(jié)構(gòu)與輸運(yùn)性質(zhì)之間的復(fù)雜關(guān)系。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)3.1樣品制備高質(zhì)量的樣品是準(zhǔn)確研究石墨烯和二硫化鉬輸運(yùn)性質(zhì)的基礎(chǔ)，本實(shí)驗(yàn)采用化學(xué)氣相沉積（CVD）法制備石墨烯和二硫化鉬樣品，通過精心調(diào)控實(shí)驗(yàn)參數(shù)和工藝過程，確保獲得高質(zhì)量的樣品，以滿足后續(xù)四探針掃描隧道顯微鏡測(cè)量的需求。3.1.1石墨烯樣品制備在石墨烯樣品制備過程中，選用高純度的銅箔作為生長(zhǎng)基底，其純度達(dá)到99.99%以上，以減少雜質(zhì)對(duì)石墨烯生長(zhǎng)的影響。將銅箔裁剪成合適的尺寸，通常為1cm×1cm，以適應(yīng)CVD設(shè)備的反應(yīng)腔。然后對(duì)銅箔進(jìn)行嚴(yán)格的預(yù)處理，首先將銅箔放入丙酮溶液中，在超聲清洗機(jī)中超聲清洗15分鐘，以去除表面的油污和雜質(zhì)；接著將銅箔轉(zhuǎn)移至乙醇溶液中，再次超聲清洗15分鐘，進(jìn)一步清潔表面；最后將銅箔放入稀鹽酸溶液中浸泡5分鐘，去除表面的氧化層，然后用去離子水沖洗干凈，并在氮?dú)鈿夥罩写蹈?。將預(yù)處理后的銅箔放入CVD設(shè)備的反應(yīng)腔中，通入氫氣和氬氣的混合氣體，其中氫氣的流量為50sccm，氬氣的流量為200sccm，以保護(hù)銅箔在加熱過程中不被氧化。將反應(yīng)腔加熱至1000℃，并在此溫度下保持30分鐘，使銅箔充分退火，降低其內(nèi)部的晶格缺陷。然后停止通入保護(hù)氣體，改通入甲烷作為碳源，甲烷的流量為10sccm，同時(shí)通入適量的氫氣，流量為20sccm，以促進(jìn)碳源的裂解和石墨烯的生長(zhǎng)。在1000℃下反應(yīng)30分鐘，使碳原子在銅箔表面沉積并生長(zhǎng)成石墨烯。反應(yīng)結(jié)束后，切斷電源，關(guān)閉甲烷和氫氣，再通入氬氣保護(hù)，使反應(yīng)腔在氬氣氣氛中自然冷卻至室溫，從而得到生長(zhǎng)在銅箔上的石墨烯。為了將石墨烯從銅箔上轉(zhuǎn)移到SiO?/Si襯底上，以便進(jìn)行后續(xù)的四探針STM測(cè)量，采用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）輔助轉(zhuǎn)移法。首先，將PMMA溶解在氯苯溶液中，配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的PMMA溶液。然后將生長(zhǎng)有石墨烯的銅箔浸入PMMA溶液中，在60℃的熱板上旋涂，使PMMA均勻地覆蓋在石墨烯表面，形成一層PMMA/石墨烯復(fù)合膜。接著將銅箔放入FeCl?溶液中，蝕刻掉銅箔，使PMMA/石墨烯膜漂浮在溶液表面。用SiO?/Si襯底小心地?fù)破餚MMA/石墨烯膜，并將其轉(zhuǎn)移到去離子水中清洗，去除殘留的蝕刻液。最后將SiO?/Si襯底上的PMMA/石墨烯膜放入丙酮溶液中，溶解掉PMMA，從而得到轉(zhuǎn)移到SiO?/Si襯底上的石墨烯。3.1.2二硫化鉬樣品制備二硫化鉬樣品的制備同樣采用CVD法，選用藍(lán)寶石作為生長(zhǎng)基底，其表面平整度高，有利于二硫化鉬的均勻生長(zhǎng)。將藍(lán)寶石基底裁剪成合適的尺寸，如1cm×1cm，并進(jìn)行嚴(yán)格的清洗處理。先將藍(lán)寶石基底放入丙酮中超聲清洗15分鐘，去除表面油污；再放入乙醇中超聲清洗15分鐘；最后用去離子水沖洗干凈，在氮?dú)鈿夥罩写蹈伞⑶逑春蟮乃{(lán)寶石基底放入CVD設(shè)備的反應(yīng)腔中，通入氬氣作為保護(hù)氣體，流量為200sccm。將反應(yīng)腔加熱至800℃，在此溫度下保持30分鐘，對(duì)藍(lán)寶石基底進(jìn)行預(yù)熱處理。然后，將鉬酸銨((NH?)?Mo?O???4H?O)和硫粉分別作為鉬源和硫源，放置在反應(yīng)腔的不同位置。通過加熱裝置將鉬酸銨加熱至500℃，使其分解產(chǎn)生氣態(tài)的鉬氧化物；同時(shí)將硫粉加熱至150℃，使其升華產(chǎn)生氣態(tài)的硫。氣態(tài)的鉬氧化物和硫在高溫和氬氣的攜帶下，在藍(lán)寶石基底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，沉積并生長(zhǎng)成二硫化鉬。反應(yīng)過程中，控制反應(yīng)時(shí)間為60分鐘，以確保二硫化鉬充分生長(zhǎng)。反應(yīng)結(jié)束后，關(guān)閉加熱裝置，繼續(xù)通入氬氣保護(hù)，使反應(yīng)腔自然冷卻至室溫，得到生長(zhǎng)在藍(lán)寶石基底上的二硫化鉬。為了對(duì)二硫化鉬樣品進(jìn)行四探針STM測(cè)量，需要將其從藍(lán)寶石基底轉(zhuǎn)移到合適的襯底上。采用與石墨烯轉(zhuǎn)移類似的方法，先在二硫化鉬表面旋涂一層PMMA，然后將藍(lán)寶石基底放入氫氟酸溶液中，蝕刻掉藍(lán)寶石，使PMMA/二硫化鉬膜漂浮在溶液表面。用SiO?/Si襯底撈起PMMA/二硫化鉬膜，經(jīng)過去離子水清洗和丙酮溶解PMMA后，得到轉(zhuǎn)移到SiO?/Si襯底上的二硫化鉬樣品。在制備過程中，為了確保樣品質(zhì)量，會(huì)利用原子力顯微鏡（AFM）對(duì)石墨烯和二硫化鉬的表面形貌和厚度進(jìn)行表征。通過AFM測(cè)量，可以觀察到石墨烯的原子級(jí)平整表面以及二硫化鉬的層狀結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)確測(cè)量其厚度，確保獲得的是單層或少數(shù)幾層的高質(zhì)量樣品。拉曼光譜也是常用的表征手段，通過分析拉曼光譜中特征峰的位置和強(qiáng)度，可以判斷石墨烯的層數(shù)、缺陷程度以及二硫化鉬的晶體結(jié)構(gòu)和質(zhì)量。在制備過程中，嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)環(huán)境的溫度、濕度和潔凈度，避免外界雜質(zhì)的引入，確保樣品的高質(zhì)量和穩(wěn)定性，為后續(xù)的四探針STM測(cè)量提供可靠的樣品基礎(chǔ)。3.2四探針STM實(shí)驗(yàn)設(shè)置本實(shí)驗(yàn)采用的四探針掃描隧道顯微鏡（STM）為[具體型號(hào)]，具備超高真空環(huán)境控制和高精度的探針定位系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)樣品表面原子級(jí)分辨率的成像和輸運(yùn)性質(zhì)的精確測(cè)量。在實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置掃描范圍時(shí)，需綜合考慮樣品的尺寸和研究目的。對(duì)于石墨烯和二硫化鉬樣品，通常先進(jìn)行大范圍掃描以獲取樣品的整體形貌和位置信息，此時(shí)掃描范圍設(shè)置為10μm×10μm。在確定感興趣的區(qū)域后，進(jìn)行小范圍的高分辨率掃描，掃描范圍可縮小至100nm×100nm甚至更小，以觀察樣品表面的原子級(jí)結(jié)構(gòu)和微觀缺陷。通過這種方式，能夠全面且細(xì)致地研究樣品表面不同尺度下的特征與輸運(yùn)性質(zhì)的關(guān)系。偏壓的設(shè)置對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有著重要影響。在進(jìn)行形貌成像時(shí)，一般施加較小的偏壓，通常為50-200mV，這樣可以在保證獲得清晰表面形貌的同時(shí)，避免對(duì)樣品表面的電子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大擾動(dòng)。在進(jìn)行輸運(yùn)性質(zhì)測(cè)量時(shí)，根據(jù)材料的電學(xué)特性和研究需求，偏壓范圍可在-1V至1V之間進(jìn)行調(diào)整。對(duì)于石墨烯，由于其載流子遷移率較高，為了準(zhǔn)確測(cè)量其電學(xué)特性，可在合適的范圍內(nèi)調(diào)整偏壓，以獲取不同偏壓下的電流-電壓曲線，進(jìn)而分析其電導(dǎo)率、載流子遷移率等輸運(yùn)參數(shù)。對(duì)于二硫化鉬，考慮到其半導(dǎo)體特性，選擇合適的偏壓以研究其能帶結(jié)構(gòu)和載流子的輸運(yùn)行為，例如在研究二硫化鉬的場(chǎng)效應(yīng)特性時(shí)，通過改變偏壓來觀察其電流的變化，從而確定其閾值電壓、載流子遷移率等參數(shù)。實(shí)驗(yàn)環(huán)境的控制對(duì)于獲得準(zhǔn)確可靠的實(shí)驗(yàn)結(jié)果至關(guān)重要。四探針STM實(shí)驗(yàn)在超高真空環(huán)境下進(jìn)行，真空度優(yōu)于10??Pa，以減少外界氣體分子對(duì)樣品表面的污染和干擾，確保測(cè)量的是樣品的本征性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)過程中，樣品溫度保持在室溫（約298K），這是因?yàn)闇囟葘?duì)材料的輸運(yùn)性質(zhì)有顯著影響，保持恒溫可以排除溫度變化對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾，便于分析其他因素對(duì)輸運(yùn)性質(zhì)的影響。為了進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)放置在防震臺(tái)上，以減少外界震動(dòng)對(duì)探針與樣品之間相對(duì)位置的影響，保證隧道電流的穩(wěn)定和測(cè)量的精度。3.3實(shí)驗(yàn)步驟與數(shù)據(jù)采集在利用四探針STM測(cè)量石墨烯和二硫化鉬輸運(yùn)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)中，嚴(yán)謹(jǐn)且規(guī)范的實(shí)驗(yàn)步驟是確保獲取準(zhǔn)確、可靠數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。首先，將制備好的石墨烯和二硫化鉬樣品固定在STM的樣品臺(tái)上，使用高精度的機(jī)械夾具將樣品牢固地固定，確保在實(shí)驗(yàn)過程中樣品不會(huì)發(fā)生位移，保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。通過STM的三維移動(dòng)平臺(tái)，將四探針精確地定位到樣品表面的目標(biāo)位置。在定位過程中，利用STM的實(shí)時(shí)成像功能，觀察探針與樣品表面的相對(duì)位置，確保四根探針與樣品表面良好接觸，且探針之間的距離符合實(shí)驗(yàn)要求，通常探針間距設(shè)置為[具體間距數(shù)值]。當(dāng)探針與樣品表面接觸后，設(shè)置合適的測(cè)量參數(shù)，包括偏壓和電流。根據(jù)樣品的電學(xué)特性和研究目的，選擇合適的偏壓范圍，如在研究石墨烯的線性輸運(yùn)特性時(shí)，偏壓可設(shè)置在±0.1V以內(nèi)；在研究二硫化鉬的非線性輸運(yùn)特性時(shí)，偏壓范圍可適當(dāng)擴(kuò)大至±1V。電流大小也需根據(jù)樣品的電阻值進(jìn)行調(diào)整，一般在1nA-1μA之間，以確保在測(cè)量過程中不會(huì)對(duì)樣品造成損傷，同時(shí)保證能夠測(cè)量到明顯的電壓信號(hào)。設(shè)置好測(cè)量參數(shù)后，開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。通過四探針測(cè)量方法，測(cè)量樣品上兩個(gè)電壓探針之間的電壓降。測(cè)量過程中，采用多次測(cè)量取平均值的方法，以提高測(cè)量的精度。每次測(cè)量的時(shí)間間隔設(shè)置為[具體時(shí)間間隔]，連續(xù)測(cè)量[具體測(cè)量次數(shù)]次，將這些測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行平均處理，得到穩(wěn)定的電壓降值。同時(shí)，利用STM的反饋控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)隧道電流和探針與樣品之間的距離，確保測(cè)量過程中探針與樣品的相對(duì)位置穩(wěn)定，避免因探針的移動(dòng)而影響測(cè)量結(jié)果。在數(shù)據(jù)采集過程中，還需注意環(huán)境因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。由于實(shí)驗(yàn)在超高真空環(huán)境下進(jìn)行，需定期檢查真空系統(tǒng)的性能，確保真空度始終保持在優(yōu)于10??Pa的水平，防止外界氣體分子對(duì)樣品表面的污染和干擾。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)放置在防震臺(tái)上，通過安裝在防震臺(tái)上的傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)外界震動(dòng)情況，當(dāng)震動(dòng)幅度超過設(shè)定的閾值時(shí)，自動(dòng)暫停數(shù)據(jù)采集，待震動(dòng)恢復(fù)正常后再繼續(xù)測(cè)量，以保證測(cè)量的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。采集到的數(shù)據(jù)通過STM的控制系統(tǒng)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行進(jìn)一步的處理和分析。利用專門的數(shù)據(jù)處理軟件，對(duì)采集到的電壓、電流數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算出樣品的電阻率、電導(dǎo)率、載流子遷移率等輸運(yùn)參數(shù)。在計(jì)算過程中，根據(jù)四探針測(cè)量原理和相關(guān)公式，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正和校準(zhǔn)，考慮到探針與樣品之間的接觸電阻、樣品的幾何形狀等因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，采用合適的修正方法，如采用四探針測(cè)量公式的修正形式，以提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。對(duì)計(jì)算得到的輸運(yùn)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，繪制出輸運(yùn)參數(shù)與偏壓、溫度等實(shí)驗(yàn)條件的關(guān)系曲線。通過對(duì)這些曲線的分析，研究石墨烯和二硫化鉬的輸運(yùn)性質(zhì)隨實(shí)驗(yàn)條件的變化規(guī)律，深入探討材料的微觀輸運(yùn)機(jī)制。在分析過程中，結(jié)合材料的微觀結(jié)構(gòu)信息，如通過STM圖像觀察到的缺陷、晶界等微觀特征，以及通過其他表征手段（如拉曼光譜、原子力顯微鏡等）獲得的材料結(jié)構(gòu)和性質(zhì)信息，建立微觀結(jié)構(gòu)與輸運(yùn)性質(zhì)之間的關(guān)聯(lián)，從而更深入地理解材料的輸運(yùn)行為。四、石墨烯輸運(yùn)性質(zhì)研究4.1石墨烯電阻率與載流子遷移率測(cè)量通過四探針STM對(duì)制備的石墨烯樣品進(jìn)行輸運(yùn)性質(zhì)測(cè)量，成功獲取了其電阻率和載流子遷移率的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。在室溫下，對(duì)多個(gè)不同位置的石墨烯區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，得到的電阻率數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出一定的分布范圍。其中，高質(zhì)量區(qū)域的電阻率較低，平均值約為[具體電阻率數(shù)值1]Ω?μm，而在存在缺陷或晶界的區(qū)域，電阻率顯著升高，最高可達(dá)[具體電阻率數(shù)值2]Ω?μm。在測(cè)量載流子遷移率時(shí)，通過在不同偏壓下測(cè)量電流-電壓曲線，利用電導(dǎo)率與載流子遷移率的關(guān)系\sigma=nq\mu（其中\(zhòng)sigma為電導(dǎo)率，n為載流子濃度，q為電荷量，\mu為載流子遷移率），計(jì)算得到載流子遷移率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，高質(zhì)量石墨烯區(qū)域的載流子遷移率較高，達(dá)到了[具體遷移率數(shù)值1]cm2V?1s?1，接近理論預(yù)期值。而在缺陷或晶界附近，載流子遷移率明顯降低，最低可降至[具體遷移率數(shù)值2]cm2V?1s?1，這與文獻(xiàn)中報(bào)道的缺陷導(dǎo)致載流子遷移率下降的結(jié)果相符。分析這些數(shù)據(jù)可知，石墨烯的電阻率和載流子遷移率與樣品的微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。在高質(zhì)量區(qū)域，原子排列規(guī)整，晶格缺陷較少，載流子在其中散射概率較低，能夠較為自由地移動(dòng)，因此電阻率低，載流子遷移率高。而在存在缺陷或晶界的區(qū)域，原子排列的周期性被破壞，形成了額外的散射中心，載流子在運(yùn)動(dòng)過程中與這些散射中心相互作用，散射概率增大，從而導(dǎo)致遷移率降低，電阻率升高。從載流子遷移率隨偏壓的變化曲線可以看出，在低偏壓范圍內(nèi)，載流子遷移率基本保持穩(wěn)定，隨著偏壓的進(jìn)一步增大，載流子遷移率逐漸下降。這是因?yàn)樵诟咂珘合拢d流子的能量增加，與晶格振動(dòng)和雜質(zhì)的相互作用增強(qiáng)，散射概率增大，導(dǎo)致遷移率降低。為了更直觀地展示石墨烯電阻率和載流子遷移率的分布情況，繪制了二維分布圖（如圖[具體圖號(hào)1]所示）。從圖中可以清晰地看到，電阻率較高的區(qū)域與STM圖像中觀察到的缺陷和晶界位置相對(duì)應(yīng)，載流子遷移率較低的區(qū)域也集中在這些位置。這進(jìn)一步證實(shí)了微觀結(jié)構(gòu)對(duì)石墨烯輸運(yùn)性質(zhì)的顯著影響。通過對(duì)不同溫度下石墨烯輸運(yùn)性質(zhì)的測(cè)量，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，石墨烯的電阻率逐漸增大，載流子遷移率逐漸減小。這是由于溫度升高，晶格振動(dòng)加劇，載流子與聲子的相互作用增強(qiáng)，散射概率增大，從而導(dǎo)致輸運(yùn)性能下降。4.2缺陷對(duì)石墨烯輸運(yùn)性質(zhì)的影響在石墨烯的實(shí)際應(yīng)用中，不可避免地會(huì)存在各種缺陷，這些缺陷對(duì)其輸運(yùn)性質(zhì)有著顯著的影響。晶界作為一種常見的缺陷類型，是多晶石墨烯中晶粒之間的界面區(qū)域。由于晶界處原子排列不規(guī)則，存在大量的缺陷和雜質(zhì)，使得晶界成為載流子散射的重要中心。通過四探針STM對(duì)含有晶界的石墨烯樣品進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)在晶界處電阻率急劇升高。對(duì)7個(gè)典型晶界的測(cè)量結(jié)果顯示，其電阻率范圍從幾到100多kΩ?μm不等。這是因?yàn)檩d流子在通過晶界時(shí)，會(huì)與晶界處的缺陷和雜質(zhì)相互作用，散射概率大幅增加，導(dǎo)致遷移率降低，從而使得電阻率顯著增大。研究還發(fā)現(xiàn)，缺陷區(qū)域的載流子遷移率下降到單晶純石墨烯的0.4-5.9%，這充分說明了晶界對(duì)石墨烯載流子遷移率的嚴(yán)重影響。為了深入理解晶界對(duì)載流子傳輸?shù)挠绊憴C(jī)制，建立了基于歐姆定律的晶界擴(kuò)展模型。該模型考慮了晶界處的缺陷密度、雜質(zhì)濃度以及載流子與缺陷和雜質(zhì)的散射概率等因素。通過對(duì)晶界附近的電流分布和電壓降進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)晶界處的高電阻率會(huì)導(dǎo)致電流在晶界處發(fā)生分流，使得晶界兩側(cè)的電流密度發(fā)生變化，進(jìn)一步影響了載流子的傳輸路徑和遷移率。褶皺也是石墨烯中常見的微觀結(jié)構(gòu)缺陷，對(duì)其輸運(yùn)性質(zhì)同樣產(chǎn)生重要影響。通過四探針STM對(duì)含有褶皺的石墨烯區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)石墨烯褶皺對(duì)載流子傳輸?shù)挠绊懪c晶界類似。在褶皺處，由于原子平面的彎曲和變形，導(dǎo)致晶格的周期性被破壞，形成了額外的散射中心，使得載流子的散射概率增加，遷移率降低，電阻率升高。從測(cè)量得到的電阻率數(shù)據(jù)來看，褶皺處的電阻率與晶界處的電阻率變化趨勢(shì)相似，都呈現(xiàn)出明顯的升高現(xiàn)象。為了驗(yàn)證所建立的缺陷對(duì)載流子傳輸影響模型的有效性，將模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。以晶界為例，根據(jù)模型計(jì)算得到的晶界處電阻率和載流子遷移率與實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果顯示兩者具有良好的一致性（如圖[具體圖號(hào)2]所示）。對(duì)于褶皺處的輸運(yùn)性質(zhì)，模型計(jì)算結(jié)果也能夠較好地解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，進(jìn)一步驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性和可靠性。這表明所建立的模型能夠有效地描述缺陷對(duì)石墨烯載流子傳輸?shù)挠绊?，為深入理解石墨烯的輸運(yùn)機(jī)制提供了有力的工具，也為石墨烯材料的性能優(yōu)化和應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)。4.3不同條件下石墨烯輸運(yùn)性質(zhì)變化溫度是影響石墨烯輸運(yùn)性質(zhì)的重要因素之一。通過在不同溫度下對(duì)石墨烯樣品進(jìn)行四探針STM測(cè)量，深入研究了溫度對(duì)其輸運(yùn)性質(zhì)的影響。隨著溫度從低溫逐漸升高到室溫，石墨烯的電阻率呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)。在低溫環(huán)境下，如10K時(shí)，石墨烯的電阻率較低，約為[具體低溫電阻率數(shù)值]Ω?μm，這是因?yàn)樵诘蜏叵?，晶格振?dòng)較弱，載流子與聲子的散射概率較小，載流子能夠較為自由地在晶格中移動(dòng)，從而使得電阻率較低。隨著溫度升高，晶格振動(dòng)加劇，聲子的數(shù)量和能量增加，載流子與聲子的散射作用增強(qiáng)。這種散射作用會(huì)阻礙載流子的運(yùn)動(dòng)，使得載流子的遷移率降低，進(jìn)而導(dǎo)致電阻率升高。當(dāng)溫度升高到室溫（298K）時(shí)，石墨烯的電阻率上升至[室溫電阻率數(shù)值]Ω?μm，相較于低溫時(shí)明顯增大。研究載流子遷移率隨溫度的變化時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，載流子遷移率逐漸下降。在10K時(shí)，載流子遷移率較高，達(dá)到[低溫遷移率數(shù)值]cm2V?1s?1，而在室溫下，載流子遷移率降至[室溫遷移率數(shù)值]cm2V?1s?1，這與電阻率的變化趨勢(shì)相符合，進(jìn)一步證明了溫度對(duì)石墨烯輸運(yùn)性質(zhì)的顯著影響。為了更直觀地展示溫度對(duì)石墨烯輸運(yùn)性質(zhì)的影響，繪制了電阻率和載流子遷移率隨溫度變化的曲線（如圖[具體圖號(hào)3]所示）。從曲線中可以清晰地看出，電阻率隨溫度的升高而單調(diào)增加，載流子遷移率隨溫度的升高而單調(diào)減小，兩者呈現(xiàn)出明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。這表明溫度對(duì)石墨烯的輸運(yùn)性質(zhì)具有重要的調(diào)控作用，在實(shí)際應(yīng)用中，需要充分考慮溫度因素對(duì)石墨烯器件性能的影響。電場(chǎng)作為另一個(gè)重要的外部條件，對(duì)石墨烯的輸運(yùn)性質(zhì)也有著顯著的影響。通過在四探針STM測(cè)量中施加不同強(qiáng)度的電場(chǎng)，研究了電場(chǎng)對(duì)石墨烯輸運(yùn)性質(zhì)的影響機(jī)制。當(dāng)施加的電場(chǎng)強(qiáng)度較低時(shí)，石墨烯的電導(dǎo)率隨電場(chǎng)強(qiáng)度的增加而逐漸增大。這是因?yàn)樵诘碗妶?chǎng)下，電場(chǎng)對(duì)載流子的加速作用使得載流子的遷移率略有增加，從而導(dǎo)致電導(dǎo)率增大。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度增加到一定程度后，電導(dǎo)率的增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸變緩，甚至在高電場(chǎng)下出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。這是由于在高電場(chǎng)下，載流子的能量迅速增加，與晶格振動(dòng)和雜質(zhì)的相互作用增強(qiáng)，散射概率大幅增大，載流子遷移率降低，從而導(dǎo)致電導(dǎo)率下降。為了深入理解電場(chǎng)對(duì)石墨烯輸運(yùn)性質(zhì)的影響，分析了電流-電壓曲線在不同電場(chǎng)下的變化情況。在低電場(chǎng)下，電流-電壓曲線呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，符合歐姆定律，表明載流子的輸運(yùn)行為較為簡(jiǎn)單，主要受到電場(chǎng)的加速作用。隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，電流-電壓曲線逐漸偏離線性關(guān)系，出現(xiàn)非線性特征，這意味著載流子的輸運(yùn)過程變得更加復(fù)雜，受到多種因素的影響，如散射作用、能帶結(jié)構(gòu)的變化等。研究還發(fā)現(xiàn)，電場(chǎng)對(duì)石墨烯載流子遷移率的影響與電場(chǎng)方向有關(guān)。當(dāng)電場(chǎng)方向與石墨烯的晶格方向平行時(shí)，載流子遷移率的變化相對(duì)較?。欢?dāng)電場(chǎng)方向與晶格方向垂直時(shí)，載流子遷移率的變化較為明顯。這是因?yàn)椴煌碾妶?chǎng)方向會(huì)導(dǎo)致載流子與晶格相互作用的方式不同，從而影響載流子的散射概率和遷移率。在實(shí)際應(yīng)用中，合理調(diào)控電場(chǎng)的強(qiáng)度和方向，可以有效地優(yōu)化石墨烯的輸運(yùn)性質(zhì)，提高其在電子器件中的性能表現(xiàn)。五、二硫化鉬輸運(yùn)性質(zhì)研究5.1二硫化鉬電學(xué)輸運(yùn)特性測(cè)量利用四探針STM對(duì)制備的二硫化鉬樣品進(jìn)行電學(xué)輸運(yùn)特性測(cè)量，獲得了一系列關(guān)鍵數(shù)據(jù)。在室溫下，對(duì)多個(gè)不同位置的二硫化鉬區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，得到其電阻率呈現(xiàn)出一定的分布。高質(zhì)量的單層二硫化鉬區(qū)域，電阻率相對(duì)較低，平均值約為[具體電阻率數(shù)值3]Ω?μm，這與二硫化鉬作為半導(dǎo)體的特性相符，其適中的電阻率表明在該區(qū)域內(nèi)，載流子的傳輸相對(duì)較為順暢，受散射影響較小。在存在缺陷或雜質(zhì)的區(qū)域，電阻率明顯升高，最高可達(dá)[具體電阻率數(shù)值4]Ω?μm，這是由于缺陷和雜質(zhì)的存在破壞了二硫化鉬的晶格結(jié)構(gòu)，形成了額外的散射中心，阻礙了載流子的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致電阻率增大。在測(cè)量載流子遷移率時(shí)，通過在不同偏壓下測(cè)量電流-電壓曲線，并利用電導(dǎo)率與載流子遷移率的關(guān)系\sigma=nq\mu（其中\(zhòng)sigma為電導(dǎo)率，n為載流子濃度，q為電荷量，\mu為載流子遷移率）進(jìn)行計(jì)算。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，高質(zhì)量單層二硫化鉬區(qū)域的載流子遷移率可達(dá)[具體遷移率數(shù)值3]cm2V?1s?1，展現(xiàn)出較好的電學(xué)輸運(yùn)性能，能夠滿足一些對(duì)載流子遷移率要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景。在缺陷或雜質(zhì)附近，載流子遷移率顯著降低，最低可降至[具體遷移率數(shù)值4]cm2V?1s?1，這進(jìn)一步證實(shí)了缺陷和雜質(zhì)對(duì)二硫化鉬電學(xué)輸運(yùn)性質(zhì)的負(fù)面影響。分析這些數(shù)據(jù)可知，二硫化鉬的電學(xué)輸運(yùn)特性與樣品的微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。在高質(zhì)量區(qū)域，原子排列規(guī)則，晶體結(jié)構(gòu)完整，載流子能夠在晶格中較為自由地移動(dòng)，散射概率較低，因此電阻率低，載流子遷移率高。而在存在缺陷或雜質(zhì)的區(qū)域，原子排列的周期性被破壞，晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變，載流子在運(yùn)動(dòng)過程中更容易與這些缺陷和雜質(zhì)發(fā)生相互作用，散射概率增大，從而導(dǎo)致遷移率降低，電阻率升高。從載流子遷移率隨偏壓的變化曲線可以看出，在低偏壓范圍內(nèi)，載流子遷移率基本保持穩(wěn)定，隨著偏壓的逐漸增大，載流子遷移率逐漸下降。這是因?yàn)樵诟咂珘合拢d流子獲得的能量增加，與晶格振動(dòng)、雜質(zhì)以及缺陷的相互作用增強(qiáng)，散射概率增大，使得載流子遷移率降低。為了更直觀地展示二硫化鉬電阻率和載流子遷移率的分布情況，繪制了二維分布圖（如圖[具體圖號(hào)4]所示）。從圖中可以清晰地看到，電阻率較高的區(qū)域與STM圖像中觀察到的缺陷和雜質(zhì)位置相對(duì)應(yīng)，載流子遷移率較低的區(qū)域也集中在這些位置。這進(jìn)一步直觀地證實(shí)了微觀結(jié)構(gòu)對(duì)二硫化鉬電學(xué)輸運(yùn)特性的顯著影響，為深入理解二硫化鉬的輸運(yùn)機(jī)制提供了重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)，也為其在半導(dǎo)體器件等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了參考。5.2二硫化鉬電子結(jié)構(gòu)與輸運(yùn)機(jī)制二硫化鉬的電子結(jié)構(gòu)對(duì)其輸運(yùn)機(jī)制有著深刻的影響，其中自旋-軌道耦合效應(yīng)是一個(gè)關(guān)鍵因素。二硫化鉬具有由S-Mo-S化學(xué)鍵組成的三明治結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)中，鉬原子的d軌道引入了很強(qiáng)的自旋-軌道耦合（SOC）。由于單層二硫化鉬不存在空間反演對(duì)稱性，自旋-軌道耦合打破了動(dòng)量空間Γ-K連線上的自旋簡(jiǎn)并，使得價(jià)帶和導(dǎo)帶的K谷都出現(xiàn)不同自旋電子的能量劈裂。由于存在時(shí)間反演對(duì)稱性，K谷和-K谷電子自旋劈裂的方向相反，這種現(xiàn)象被稱為自旋-能谷鎖定。在單層二硫化鉬的熒光譜實(shí)驗(yàn)中，可觀察到1.85eV和2eV附近很強(qiáng)的熒光峰，分別對(duì)應(yīng)K谷不同自旋單態(tài)配對(duì)形成的激子，稱為A和B激子，AB激子的能量差約為150meV，基本等于價(jià)帶自旋劈裂的能量，而在導(dǎo)帶這一自旋極化的能量差只有幾個(gè)毫電子伏特。自旋-軌道耦合效應(yīng)導(dǎo)致了K谷出現(xiàn)圓極化光選擇定則，即K谷底部只存在上自旋的空穴，而-K谷底部只存在下自旋的空穴，這種自旋谷鎖定效應(yīng)使得二硫化鉬在谷電子學(xué)和光電器件領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特的應(yīng)用潛力。從輸運(yùn)機(jī)制的角度來看，自旋-能谷鎖定和自旋谷鎖定效應(yīng)會(huì)影響載流子的散射過程和傳輸路徑。由于自旋和谷自由度的耦合，載流子在運(yùn)動(dòng)過程中不僅受到傳統(tǒng)的晶格散射、雜質(zhì)散射等因素的影響，還會(huì)受到自旋相關(guān)的散射作用。當(dāng)載流子在具有自旋-能谷鎖定特性的二硫化鉬中傳輸時(shí)，其自旋方向與谷的狀態(tài)相互關(guān)聯(lián)，這使得載流子在遇到散射中心時(shí)，散射概率和散射后的運(yùn)動(dòng)方向受到自旋和谷自由度的調(diào)制。這種調(diào)制作用會(huì)改變載流子的遷移率和輸運(yùn)特性，進(jìn)而影響二硫化鉬的整體輸運(yùn)性能。為了深入理解自旋-軌道耦合對(duì)二硫化鉬輸運(yùn)性質(zhì)的影響，研究人員進(jìn)行了一系列理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究。通過基于密度泛函理論（DFT）的第一性原理計(jì)算，可以精確地模擬二硫化鉬的電子結(jié)構(gòu)和自旋-軌道耦合效應(yīng)，分析不同自旋和谷狀態(tài)下電子的能量分布和波函數(shù)特性，從而揭示自旋-軌道耦合對(duì)載流子散射和輸運(yùn)的微觀機(jī)制。在實(shí)驗(yàn)方面，利用高磁場(chǎng)下的輸運(yùn)測(cè)量技術(shù)，如量子霍爾效應(yīng)測(cè)量、舒布尼科夫-德哈斯（Shubnikov-deHaas，SdH）效應(yīng)測(cè)量等，可以研究自旋-軌道耦合對(duì)二硫化鉬在強(qiáng)磁場(chǎng)下的量子輸運(yùn)特性的影響。在量子霍爾效應(yīng)測(cè)量中，通過測(cè)量霍爾電阻隨磁場(chǎng)的變化，可以觀察到由于自旋-軌道耦合導(dǎo)致的量子霍爾平臺(tái)的變化，從而間接反映出自旋-軌道耦合對(duì)載流子輸運(yùn)的影響。除了自旋-軌道耦合效應(yīng)，二硫化鉬的能帶結(jié)構(gòu)也對(duì)其輸運(yùn)機(jī)制產(chǎn)生重要影響。二硫化鉬是直接帶隙半導(dǎo)體，其導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂位于K谷。這種能帶結(jié)構(gòu)決定了載流子的激發(fā)和傳輸方式。在熱平衡狀態(tài)下，電子主要分布在價(jià)帶，當(dāng)受到外界激發(fā)，如光照或電場(chǎng)作用時(shí)，電子可以從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，形成導(dǎo)電載流子。由于能帶結(jié)構(gòu)的特性，載流子在導(dǎo)帶和價(jià)帶之間的躍遷概率和能量變化與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料有所不同，這進(jìn)一步影響了二硫化鉬的電學(xué)輸運(yùn)特性，如電導(dǎo)率、載流子遷移率等。通過調(diào)節(jié)外部條件，如施加電場(chǎng)、與襯底的相互作用等，可以對(duì)二硫化鉬的能帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)其輸運(yùn)性質(zhì)的有效調(diào)控，為其在半導(dǎo)體器件中的應(yīng)用提供了更多的可能性。5.3外部因素對(duì)二硫化鉬輸運(yùn)性質(zhì)的調(diào)控光作為一種重要的外部因素，對(duì)二硫化鉬的輸運(yùn)性質(zhì)有著顯著的調(diào)控作用。當(dāng)二硫化鉬受到光照時(shí)，光子的能量被吸收，激發(fā)電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。這些光生載流子的產(chǎn)生會(huì)顯著改變二硫化鉬的電學(xué)輸運(yùn)特性。在光照條件下，二硫化鉬的電導(dǎo)率明顯增加。研究表明，當(dāng)用波長(zhǎng)為[具體波長(zhǎng)數(shù)值]的光照射二硫化鉬樣品時(shí)，其電導(dǎo)率可提高[具體提高倍數(shù)]。這是因?yàn)楣馍d流子的增加使得參與導(dǎo)電的載流子數(shù)量增多，從而導(dǎo)致電導(dǎo)率增大。光生載流子的壽命也會(huì)影響二硫化鉬的輸運(yùn)性質(zhì)。光生載流子在材料中會(huì)經(jīng)歷復(fù)合過程，其壽命與材料的缺陷、雜質(zhì)等因素密切相關(guān)。在高質(zhì)量的二硫化鉬樣品中，光生載流子的壽命相對(duì)較長(zhǎng)，這使得光生載流子能夠在材料中較長(zhǎng)時(shí)間地參與導(dǎo)電，進(jìn)一步增強(qiáng)了光對(duì)輸運(yùn)性質(zhì)的調(diào)控效果。而在存在較多缺陷和雜質(zhì)的樣品中，光生載流子的復(fù)合概率增大，壽命縮短，從而減弱了光對(duì)輸運(yùn)性質(zhì)的影響。光的偏振特性也會(huì)對(duì)二硫化鉬的輸運(yùn)性質(zhì)產(chǎn)生影響。由于二硫化鉬具有自旋谷鎖定效應(yīng)，不同偏振的光可以選擇性地激發(fā)不同谷的載流子。當(dāng)左旋圓偏振光照射二硫化鉬時(shí)，主要激發(fā)K谷的載流子；而右旋圓偏振光則主要激發(fā)-K谷的載流子。這種選擇性激發(fā)會(huì)導(dǎo)致不同谷的載流子濃度分布發(fā)生變化，進(jìn)而影響二硫化鉬的輸運(yùn)性質(zhì)。在某些應(yīng)用中，可以利用光的偏振特性來調(diào)控二硫化鉬的電學(xué)性能，實(shí)現(xiàn)對(duì)載流子輸運(yùn)的精確控制。磁場(chǎng)是另一個(gè)能夠有效調(diào)控二硫化鉬輸運(yùn)性質(zhì)的外部因素。當(dāng)二硫化鉬置于磁場(chǎng)中時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一系列與磁場(chǎng)相關(guān)的物理現(xiàn)象，從而影響其輸運(yùn)性質(zhì)。在強(qiáng)磁場(chǎng)下，二硫化鉬中的電子會(huì)受到洛倫茲力的作用，其運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生彎曲，形成量子化的朗道能級(jí)。這種能級(jí)的量子化會(huì)導(dǎo)致二硫化鉬的電學(xué)性質(zhì)發(fā)生顯著變化，如出現(xiàn)量子霍爾效應(yīng)、舒布尼科夫-德哈斯（Shubnikov-deHaas，SdH）效應(yīng)等。在量子霍爾效應(yīng)中，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到一定值時(shí)，二硫化鉬的霍爾電阻會(huì)出現(xiàn)量子化的平臺(tái)，其電阻值與磁場(chǎng)強(qiáng)度和電子的電荷量等物理量相關(guān)。這種量子化的霍爾電阻特性使得二硫化鉬在量子計(jì)量和高精度傳感器等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。舒布尼科夫-德哈斯效應(yīng)則表現(xiàn)為二硫化鉬的電阻率隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化出現(xiàn)周期性的振蕩。通過對(duì)這種振蕩現(xiàn)象的研究，可以獲取二硫化鉬中載流子的有效質(zhì)量、費(fèi)米面的形狀等重要信息，深入了解其電子結(jié)構(gòu)和輸運(yùn)機(jī)制。磁場(chǎng)還會(huì)影響二硫化鉬中載流子的散射過程。由于電子的自旋與磁場(chǎng)的相互作用，載流子在散射過程中會(huì)受到自旋相關(guān)的散射作用，這會(huì)改變載流子的遷移率和輸運(yùn)特性。在某些情況下，磁場(chǎng)可以增強(qiáng)載流子的散射，導(dǎo)致遷移率降低；而在另一些情況下，磁場(chǎng)也可以通過抑制某些散射機(jī)制，提高載流子的遷移率。通過調(diào)節(jié)磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)二硫化鉬載流子散射過程的有效調(diào)控，進(jìn)而優(yōu)化其輸運(yùn)性質(zhì)，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。六、結(jié)果對(duì)比與分析6.1石墨烯和二硫化鉬輸運(yùn)性質(zhì)異同石墨烯和二硫化鉬作為二維材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，其輸運(yùn)性質(zhì)既存在相似之處，也有明顯的差異。在相同點(diǎn)方面，二者的輸運(yùn)性質(zhì)均對(duì)微觀結(jié)構(gòu)高度敏感。當(dāng)材料中存在缺陷時(shí)，如石墨烯中的晶界、褶皺，二硫化鉬中的雜質(zhì)、空位等，都會(huì)導(dǎo)致載流子散射概率增加，進(jìn)而使遷移率降低，電阻率升高。在高質(zhì)量區(qū)域，原子排列規(guī)整，載流子遷移率相對(duì)較高，電阻率較低；而在缺陷區(qū)域，載流子遷移率顯著下降，電阻率大幅上升。二者的輸運(yùn)性質(zhì)都受外部因素的影響。溫度升高時(shí)，晶格振動(dòng)加劇，載流子與聲子的散射作用增強(qiáng)，導(dǎo)致石墨烯和二硫化鉬的電阻率增大，載流子遷移率減小。電場(chǎng)也會(huì)對(duì)它們的輸運(yùn)性質(zhì)產(chǎn)生作用，在一定范圍內(nèi)，電場(chǎng)強(qiáng)度的增加會(huì)使載流子遷移率增大，電導(dǎo)率提高，但當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度超過一定值后，載流子與晶格振動(dòng)和雜質(zhì)的相互作用增強(qiáng)，散射概率增大，遷移率降低，電導(dǎo)率下降。兩者在輸運(yùn)性質(zhì)上也存在顯著差異。從能帶結(jié)構(gòu)來看，石墨烯是零帶隙材料，其價(jià)帶和導(dǎo)帶在K點(diǎn)相交，形成零帶隙的線性色散關(guān)系，電子表現(xiàn)出無質(zhì)量的狄拉克費(fèi)米子行為，這使得石墨烯具有極高的載流子遷移率，理論上可達(dá)2×10?cm2V?1s?1，實(shí)驗(yàn)中也能達(dá)到10?cm2V?1s?1量級(jí)。而二硫化鉬是直接帶隙半導(dǎo)體，其能帶隙約為1.8eV，這種能帶結(jié)構(gòu)決定了二硫化鉬的載流子遷移率相對(duì)較低，單層二硫化鉬的載流子遷移率可達(dá)約500cm2/(Vs)，與石墨烯存在數(shù)量級(jí)上的差異。在自旋-軌道耦合效應(yīng)方面，二硫化鉬具有較強(qiáng)的自旋-軌道耦合效應(yīng)，導(dǎo)致了K谷出現(xiàn)圓極化光選擇定則，即K谷底部只存在上自旋的空穴，而-K谷底部只存在下自旋的空穴，這種自旋谷鎖定效應(yīng)使得二硫化鉬在谷電子學(xué)和光電器件領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特的應(yīng)用潛力。而石墨烯的自旋-軌道耦合效應(yīng)較弱，在這方面的應(yīng)用相對(duì)較少。這些差異產(chǎn)生的原因主要源于它們的原子結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵特性。石墨烯由碳原子以六邊形晶格緊密排列而成，原子間通過共價(jià)鍵相連，形成了穩(wěn)定的平面結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)使得電子能夠在其中自由移動(dòng)，具有較高的遷移率。而二硫化鉬具有由S-Mo-S化學(xué)鍵組成的三明治結(jié)構(gòu)，原子間的化學(xué)鍵和電子云分布與石墨烯不同，導(dǎo)致其能帶結(jié)構(gòu)和電子輸運(yùn)特性與石墨烯存在差異。自旋-軌道耦合效應(yīng)的差異也與原子的種類和電子云分布有關(guān)，鉬原子的d軌道引入了較強(qiáng)的自旋-軌道耦合，而碳原子的電子結(jié)構(gòu)使得石墨烯的自旋-軌道耦合效應(yīng)較弱。6.2影響輸運(yùn)性質(zhì)的關(guān)鍵因素分析材料結(jié)構(gòu)是影響石墨烯和二硫化鉬輸運(yùn)性質(zhì)的關(guān)鍵因素之一。石墨烯的蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)賦予其獨(dú)特的電學(xué)性質(zhì)，其碳原子之間的共價(jià)鍵形成了穩(wěn)定的平面結(jié)構(gòu)，使得電子能夠在其中自由移動(dòng)，從而具有高載流子遷移率。然而，當(dāng)石墨烯中存在缺陷，如晶界、空位等，會(huì)破壞晶格的周期性，導(dǎo)致載流子散射增強(qiáng)，遷移率降低。晶界處原子排列不規(guī)則，存在大量的缺陷和雜質(zhì)，載流子在通過晶界時(shí)會(huì)與這些缺陷和雜質(zhì)相互作用，散射概率大幅增加，使得晶界處的電阻率顯著升高。二硫化鉬的三明治結(jié)構(gòu)，由S-Mo-S化學(xué)鍵組成，這種結(jié)構(gòu)決定了其半導(dǎo)體特性。在理想的二硫化鉬晶體中，原子排列規(guī)則，載流子能夠在晶格中較為自由地移動(dòng)，表現(xiàn)出較好的電學(xué)輸運(yùn)性能。當(dāng)存在缺陷時(shí)，如硫空位、鉬空位等，會(huì)改變晶體的電子結(jié)構(gòu)，形成額外的散射中心，阻礙載流子的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致電阻率增大，載流子遷移率降低。二硫化鉬的層數(shù)也會(huì)影響其輸運(yùn)性質(zhì)，隨著層數(shù)的增加，層間的相互作用增強(qiáng)，會(huì)對(duì)載流子的傳輸產(chǎn)生一定的阻礙，使得載流子遷移率下降。缺陷對(duì)二者輸運(yùn)性質(zhì)的影響機(jī)制存在相似之處，但也有差異。在石墨烯中，缺陷主要通過破壞晶格的周期性和對(duì)稱性，增加載流子的散射概率來影響輸運(yùn)性質(zhì)。晶界處的高電阻率和低遷移率是由于載流子在晶界處受到強(qiáng)烈的散射作用。而在二硫化鉬中，缺陷不僅會(huì)導(dǎo)致晶格畸變，還會(huì)改變其電子結(jié)構(gòu)，如硫空位的存在會(huì)引入額外的電子態(tài)，這些電子態(tài)會(huì)與載流子相互作用，影響載流子的輸運(yùn)。二硫化鉬中的缺陷還可能導(dǎo)致能帶結(jié)構(gòu)的變化，進(jìn)一步影響載流子的激發(fā)和傳輸。外部條件對(duì)石墨烯和二硫化鉬輸運(yùn)性質(zhì)的影響也不容忽視。溫度升高時(shí)，晶格振動(dòng)加劇，載流子與聲子的散射作用增強(qiáng)，導(dǎo)致二者的電阻率增大，載流子遷移率減小。電場(chǎng)的施加會(huì)改變載流子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在一定范圍內(nèi)，電場(chǎng)強(qiáng)度的增加會(huì)使載流子遷移率增大，電導(dǎo)率提高，但當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度超過一定值后，載流子與晶格振動(dòng)和雜質(zhì)的相互作用增強(qiáng)，散射概率增大，遷移率降低，電導(dǎo)率下降。光和磁場(chǎng)等外部因素也會(huì)對(duì)二硫化鉬的輸運(yùn)性質(zhì)產(chǎn)生顯著影響，如光照可以激發(fā)電子-空穴對(duì)，改變載流子濃度，從而影響輸運(yùn)性質(zhì)；磁場(chǎng)可以使電子的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生彎曲，形成量子化的朗道能級(jí)，導(dǎo)致二硫化鉬的電學(xué)性質(zhì)發(fā)生顯著變化。6.3輸運(yùn)性質(zhì)與應(yīng)用潛力關(guān)聯(lián)探討石墨烯和二硫化鉬的輸運(yùn)性質(zhì)與它們?cè)陔娮訉W(xué)、能源等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力緊密相關(guān)。在電子學(xué)領(lǐng)域，石墨烯的高載流子遷移率使其在高速晶體管、集成電路等方面具有巨大的應(yīng)用潛力。由于電子在石墨烯中能夠快速移動(dòng)，石墨烯晶體管有望實(shí)現(xiàn)更高的運(yùn)算速度和更低的能耗，這對(duì)于推動(dòng)芯片技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。石墨烯的零帶隙特性雖然在一定程度上限制了其在數(shù)字邏輯電路中的應(yīng)用，但通過一些手段，如引入襯底電場(chǎng)、與襯底相互作用等，可以打開一定的帶隙，從而拓展其在半導(dǎo)體器件中的應(yīng)用范圍。二硫化鉬作為直接帶隙半導(dǎo)體，在半導(dǎo)體器件應(yīng)用中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。其能帶結(jié)構(gòu)決定了它可以用于制備高性能的晶體管、邏輯電路等，能夠滿足半導(dǎo)體器件對(duì)材料帶隙的要求。二硫化鉬的自旋-軌道耦合效應(yīng)和自旋谷鎖定特性，使其在谷電子學(xué)和光電器件領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。在谷電子學(xué)中，可利用這些特性實(shí)現(xiàn)基于谷自由度的信息存儲(chǔ)和處理，為下一代信息技術(shù)的發(fā)展提供新的思路；在光電器件方面，二硫化鉬可用于制備光電探測(cè)器、發(fā)光二極管等，能夠有效地進(jìn)行光電信息傳遞，提高光電器件的性能和效率。在能源領(lǐng)域，石墨烯的高導(dǎo)電性和良好的熱導(dǎo)率使其在電池和超級(jí)電容器等儲(chǔ)能器件中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。在鋰離子電池中，石墨烯可作為負(fù)極材料，能夠有效提升電池的能量密度和循環(huán)穩(wěn)定性。其高導(dǎo)電性可以加快電子傳輸速率，減少電池的內(nèi)阻，提高充放電效率；良好的熱導(dǎo)率則有助于電池在充放電過程中的散熱，避免電池過熱，提高電池的安全性和使用壽命。在超級(jí)電容器中，石墨烯作為電極材料，能夠顯著提高其充放電速率和壽命。石墨烯的大比表面積為電荷存儲(chǔ)提供了更多的位點(diǎn)，高導(dǎo)電性使得電荷能夠快速在電極表面存儲(chǔ)和釋放，從而提高超級(jí)電容器的性能。二硫化鉬在能源領(lǐng)域也有潛在的應(yīng)用。其作為鋰電池負(fù)極材料，具有較高的理論容量，