微结构调控二维MoS2介观纳米体系中磁光电物性及其机理研究

Two-dimensional (2D) transition metal dichalcogenides (TMDs) represented by MoS2 exhibit many unique electronic properties and wide application potentials based on the highly sensitive electronic structure to microstructural transformation of surface atoms . Particularly, understanding and tuning the electronic states and the related physical properties are of importance to futher expand application of 2D TMDs. The monolayer and few-layered MoS2 ultrathin nanosheets are synthesized by using liquid exfoliation,hydrothermal and chemical vapor deposition. The microstructural features like states of defects, dopants and surface adsorptions are modulated via the specific experimental routes such as the alternative atmosphere annealing, the plasma irradiation and the molecular adsorption and so on. Based on various characterization and measurement techniques, the corresponding evolutions between microstructural features and comprehensive physical properties of MoS2 nanosheets are identified, and the microstructural dependencies of magnetic, optical and electrical properties are revealed. The relevant physical models are established in the framework of electronic structures calculated via the first principles, and the novel correlations between magnetic, optical and electrical properties basing on microstructures may be discovered. Based on the above understandings, the MoS2 nanosheets based devices are constructed in principle, where the dynamic processes of photon-generated carriers and spinning electrons are explored, to exhibit the application prospects in the spintronics and optoelectronics fields.

以MoS2为代表的过渡金属硫化物（TMDs）二维介观系统电子结构特别敏感于表面原子微结构改造，展现出很多奇异的电子特性和广阔的应用潜能，认识并实现微结构调制电子态及相关物理性质是一个十分重要的研究课题。本项目采用液相超声剥离、水热和气相沉淀法可控制备几层、单层的MoS2超薄纳米片，通过选择气氛退火、等离子辐照、化学分子吸附等手段针对性地调节缺陷态、掺杂态、表面态等特定微结构，结合先进的表征和测试技术，认识MoS2纳米片中特定微结构和磁、光、电综合物性的对应演化行为，分析“微结构与物性”以及“磁光电物性之间”的关联，结合第一性原理计算，深刻理解微结构调制电子态诱导物理效应的机制，进而形成微结构操控物理性质的可靠实验方案。以此为基础，构建面向应用的MoS2基光电子和自旋电子器件，探究其中光生载流子和自旋电子的动力学过程，呈现二维MoS2纳米材料中微结构调控电子物性的机制、方案和应用价值。

本项目对以MoS2为代表的过渡金属硫化物（TMD）的微结构相关电子态物性进行了系统研究，并结合微结构操控物性方案拓展研究了TMD基光电能源应用。运用气氛退火、等离子辐照、化学分子吸附等工艺调制样品缺陷态、表面态、掺杂态等特定微结构，采用高分辨电镜、拉曼光谱、X射线光电子能谱等先进技术精细表征微结构特征及其调控演化行为，跟踪考察样品的磁光电综合物性，并结合第一性原理计算，深刻认识微结构调制电子态进而影响物性的物理机制，总结出一系列微结构操控物理性质的有效方案。基于微结构调制物性技术，优化设计功能集成的TMD基光电子原理器件，利用时空分辨的光电子能谱技术重点探究光生载流子动力学过程，为拓展二维MoS2基纳米结构的应用提供直接指导。.主要结果包括：（1）研究发现：水热法制备的三维MoS2纳米片整列，基面传输电子差、催化活性弱是制约其电催化性能的主要瓶颈。我们利用光电沉积法在MoS2纳米片上原位控制生长金属纳米颗粒，结果显示：微量Pt团簇沉积能够显著提高MoS2纳米片的电产氢效能，性能可超越商用的Pt片电极；（2）研究揭示：ReS2作为独特的TMD成员，其层间弱相互作用使得直接带隙的光电特性并不局限于单层结构。三斜晶系1T’相中的Re原子菱形链提供了优异的电子传输通道。此外，Peierls畸变破坏c轴向的Bernal堆积，具有相对较大的层间距，择优暴露不饱和边缘位置和质子渗透的通道。基于对ReS2电子态结构和氢吸附吉布斯自由能的理论评估，实验论证了少层ReS2纳米片同时具备优越的太阳光子采集和质子还原动力，为集成光电子激发和氢气演化反应活性提供了潜在的先决条件。（3）研究发现WS2具有比MoS2更优越的光电子响应，而且WS2的导带位置比MoS2更高，能够提供更负的还原电位，进而结合化学剥离和水热法制备了WS2纳米片基异质结光催化剂，利用金属表面等离子效应、p-n结效应等展现其在光催化裂解水制氢方面的应用价值。