二维过渡金属二硫化物的各种结构及其应用
摘 要：二维过渡金属二硫化物的简要介绍，其类别和基本结构属性，其中包含物理性质和一些化学性质，以及合成方法，其中包括不同合成方法的优缺点，还有2D TMD的应用，掺杂工程和异质结构工程是两种重要的方法，最后还有一些需要解决的问题。
关键词：TMD；2D材料；掺杂；异质结构
一、文献综述
2D过渡金属二硫化物（TMD）具有优异的特性，在未来的电子器件和光电器件中具有广阔的应用前景。这里，总结了最近对2D TMD的研究，包括单组分，2D掺杂TMD和2D范德华异质结构。全面描述了这些2D材料的物理图像，合成方法和光电特性。简要讨论了未来2D材料的机会和新兴应用。
超薄2D材料由于其奇妙的物理现象而得到了广泛的研究，这些物理现象与相应的块状材料不同。[1,2]理论上，可以从其体积中剥离出超过一千种2D材料。K附近的线性色散石墨烯点提供了极好的物理图像，无质量Dirac费米子用于描述石墨烯的电荷载体。[1]相比之下，其他2D材料（如过渡金属二硫化物（TMD），黑磷和六方氮化硼）具有多种光学，电子，催化和机械性能。纯2D材料，2D掺杂材料和2D范德华异质结构已得到广泛研究。[3-5]2D掺杂材料具有调整光学，电子特性和优化金属和半导体之间的接触电阻。2D范德瓦尔斯异质结构，包括垂直和横向类型，可以通过机械转移方法或气相生长获得。2D范德瓦尔斯异质结构具有吸引人的光学，电学和磁学特性，如激子物理学，霍夫斯塔特蝴蝶和量子自旋霍尔效应。这里，目前的研究报道了二维材料的主要情况，包括单一二维材料，二维掺杂材料和二维范德瓦尔斯异质结构。我们将讨论这些2D材料的理论研究，合成方法，独特性质，潜在应用以及挑战和机遇。
TMD的化学式可以表示为MX2（M代表过渡金属元素，X=S，Se和Te），已被广泛研究。已发现超过40种稳定的2D TMD（图1a）。[6,7]所有这些材料都具有共同的结构特性：它们的体积形式由X-M-X层堆叠，它们的相邻层通过层间范德华力（图1b）。根据其电子能带结构，大量TMD的范围从半导体如MoS2和MoSe2，半金属如WTe2和VS2，到金属如TaS2和NbS2的进一步的研究发现，它们的物理和化学性质具有很强的层依赖性趋势（图1c-g）。例如，单层MoS2，其相应的体积具有1.3 eV的间接带隙，但是具有1.9 eV的直接带隙，这已经通过理论和实验研究得到证实（图1c-e）。[8–10]这种变化直接导致了单层MoS2 的光致发光（图1g）。[9]WSe2，MoSe2和WS2 也表现出与MoS2相似的能带结构变化。[11–13]单层TMD在光电二极管，光电探测器和大规模集成电路中具有其他潜在的应用。
当今已经开发出许多技术来合成2D TMD；其中，最常用的是机械去角质，液相剥离和气相沉积。机械去角质，是用于发现石墨烯的方法[1]，也被认为是获得原子级薄TMD晶体的方便，有效和快速的技术。该技术非常适合实验室的基础研究，但由于其效率低，不适合大规模的实际应用。[14]典型的单层MoS2 的光学显微镜和原子力显微镜（AFM）图像是如图2a，b所示。这种单层MoS2表面清洁，质量好。作为机械剥离的替代方案，液相剥离被认为是获得大量薄层2D材料的有效方式。制备的样品非常适用于化学和能源领域的应用，如催化，光伏，化学电池和电化学能量储存。[15–17]液相剥离技术有两种主要形式：插层和超声波剥离。通过机械剥离或液相剥离制备的TMD样品通常具有小的横向尺寸和不规则的形状，因此不适用于大规模集成光电器件。气相沉积技术（例如化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD））是制备大规模和均匀厚度的TMD的有效方法。
TMD具有多种带结构并具有一些有利的性能，有望应用于各种领域，如电子，光电子，太阳能电池，发光器件，存储器件，超导体和氢析出反应（HER）。[15]作为一种重要的电子器件，通过组装具有不同类型电荷载流子的特定TMD，可以很容易地实现p-n二极管。[16]由于TMD与其他2D材料的超薄厚度和优异的兼容性，可以使用在TMD层之间插入绝缘hBN的简单方法来制造隧穿晶体管。[17]半导体TMD不同于没有带隙的石墨烯，它是适用于场效应晶体管（FETs）的有源沟道材料。选择合适的基材对于改善TMD的电气性能非常重要。[18]通用TMD的相对较低的载波迁移率限制了它们在高频设备中的应用。然而，据报道InSe在室温下具有超过103 cm2V1s1的高载流子迁移率。[19]参考TMD的光电特性，基于TMD的光电晶体管（如由于SnSe2和WSe2具有高光响应性和短响应时间。[20–22]MoTe2已被用于电信光谱范围内的高速波导光电探测器。[23]各种TMD也已被研究用于太阳能应用MoS2已被用于有效地改善钙钛矿太阳能电池的性能。[24]最近，研究人员发现了2D材料的固有磁性，这将促进自旋电子器件和存储器件的可行应用。理论上，有56种具有铁磁性或反铁磁性的2D材料单层VSe2，其体积为顺磁性，即使在室温下也表现出优异的铁磁性。[25]吴等人报告了谷电子学对单层MoS2的研究。[26]一些TMD（如NbSe2，TaS2和TaSe2）也被研究用于超导体。[15]此外，TMDs的特定化学和机械性质为HER[27]具有不同形态的MoS2作为典型的TMD进行了广泛的研究，为HER提供了有希望的前景。[28,29]扩大了TMD的应用，掺杂工程和异质结构工程是两个非常重要的方法。
