二硫化钼MOS2的晶体结构

文丨玄武科普社

编辑丨玄武科普社

前言

硫化钼（MoS2）是一种具有层状结构的材料，它由一个钼原子和两个硫原子组成，具有六边形晶格结构。

在单层MoS2中，每个钼原子被夹在两个硫原子之间，形成一个六边形的单元。

大面积单晶二硫化钼的结构是指MoS2晶体的晶粒尺寸在几个微米到数毫米之间，具有单晶的结构。

MOS2的晶体结构

因此，超大面积单晶二硫化钼的制备及其电学性质研究，在光电子器件、传感器、催化剂等领域都具有重要的应用价值。

今天我们将重点讨论超大面积单晶二硫化钼的制备技术、结构和电学性质以及它在光电子器件方面的应用前景。

超大面积单晶二硫化钼的结构

从晶体结构上看，二硫化钼是一种层状的二维材料，每个层由一个硫原子层和一个钼原子层交替排列而成。

这种交替排列形成了一个类似于石墨烯的层状结构，钼原子和硫原子之间通过共价键相连。

二硫化钼的三种晶体结构

二硫化钼的晶体结构空间群为P63/mmc的六方晶系结构，而它的晶体结构可以用下列方程式表示：

MoS2晶体结构：

[MoS2]n = {Mo-S-S-Mo-S-S-...}n

n代表层数，{Mo-S-S-Mo-S-S-...}代表一层MoS2的分子层，Mo原子和S原子之间通过共价键相连，形成类似于石墨烯的层状结构。

层状结构

超大面积单晶二硫化钼的层状结构是指其由一层层的MoS2分子层堆叠而成的结构。

每一层MoS2分子层由一个中心的Mo原子和两个周围的S原子组成，Mo原子和S原子之间通过共价键相连。

多重MoS2层状结构

在每一层MoS2分子层中，Mo原子位于中心，周围围绕着六个S原子形成一个六边形。

每个Mo原子与周围的S原子形成了两个共价键，而每个S原子也与周围的Mo原子形成了两个共价键。

因此，MoS2分子层可以看作是由中心的Mo原子和周围的S原子组成的类似于石墨烯的层状结构。

当多个MoS2分子层堆叠在一起时，它们之间的相对位置可以有两种方式：AB型和AA型。

在AB型堆叠中，每一层的Mo原子和S原子会错开排列，形成一个类似于蜂窝状的结构，而在AA型堆叠中，每一层的Mo原子和S原子排列方式相同，形成了一种紧密堆积的结构。

MoS2层状结构

表面形貌：

超大面积单晶二硫化钼的表面形貌我们通常可以通过电子显微镜或者原子力显微镜的手段进行观察。

在电子显微镜的图像中，可以清晰地观察到二硫化钼单晶的表面形貌。

电子显微镜下二硫化钼单晶的表面形貌

由于它层状结构的特殊性质，二硫化钼单晶的表面呈现出一种类似于梳子的形态。

每个"梳齿"代表一个MoS2分子层，而相邻的两个梳齿之间则是一个缝隙，缝隙的宽度约为0.7纳米。

在原子力显微镜图像中，我们观察到了超大面积单晶二硫化钼的表面形貌。

因为原子力显微镜可以获得纳米级别的表面高度信息，所以可以观察到单个MoS2分子层的厚度和不同分子层之间的间隙，从而实现MoS2分子层的控制生长和研究，控制它的分子层厚度和形貌，可以优化它的各种性能（如催化性，光电性，电学性等等），从而加强它在各种应用领域中的作用性。

二硫化钼实物

实验制备

制备衬底

使用单晶硅衬底是制备MoS2单晶的一种常用方法。衬底的选择通常分为p型和n型衬底两种。

首先，在单晶硅衬底表面形成一层二氧化硅绝缘层，以防止MoS2的生长和衬底之间的化学反应。

这可以通过化学气相沉积（CVD）或干法氧化（Dry Oxidation）等方法完成。

制备硫化钼前体概念图

制备硫化钼前体

硫化钼前体是制备硫化钼单晶的关键步骤，一种常用的方法是使用FeCl3/Na2CO3混合液将MoS2粉末悬浮在溶液中，并进行超声处理以促进分散。

这个过程可以通过以下反应来描述：

MoS2(s) + FeCl3(aq) MoS2(aq) + FeCl2(aq) + S(s)

MoS2(aq) + Na2CO3(aq) Na2MoO4(aq) + CO2(g) + S(s)

其中，FeCl3的作用是氧化MoS2，使其进入水中；Na2CO3则通过中和反应将水溶液的pH值调节至中性。

MoS2单晶生长

在制备前体的溶液中，将经过处理的单晶硅衬底浸泡进去，并放入高温炉中进行热处理。在此过程中，MoS2单晶在单晶硅衬底上逐渐生长。

该过程可以通过以下反应来描述：

MoS2(aq) + 3H2(g) MoS2(s) + 2H2O(g)

其中，H2的作用是还原MoS2前体，使其生成MoS2单晶。

热处理的温度、时间和气氛都需要进行控制，以获得高质量的MoS2单晶。

后续处理

制备出的MoS2单晶需要进行后续处理，以去除残余的MoS2前体和其他杂质，并使其表面更加光滑。

常用的方法包括酸洗、电化学抛光、氧气等离子体处理等。

通过上述制备方法，我们可以获得高质量、大面积的MoS2单晶，接下来，我们测试一下它的电学性质究竟如何。

电学性质的测试方法，电学性质：

首先我们将MoS2样品固定在样品台上，并在四个角落上分别连接四个电极，将外部电源连接到两个相邻的电极上，施加电压，通过欧姆定律计算电阻率。

电阻率 = (电阻值 * 横截面积) / 样品长度

横截面积和样品长度均为已知参数，电阻值通过测试得到。

电阻值测试得到后，我们接将MoS2样品2，放置于强磁场中，通过恒定电流，施加电场，使电流在样品内流动，紧接着，我们测量样品表面的电势差，用下面公式计算出载流子浓度和电子迁移率：

载流子浓度 = 1 / eRH * I

电子迁移率 = RH * (1 / n)

RH为霍尔系数，n为载流子浓度，e为元电荷，I为恒定电流。

光电子发射光谱测试

MoS2样品光电子发射光谱（XPS）测试是一种表征材料表面化学成分和电子结构的表征方法。

通过测量材料表面被激发后发射出的电子能量分布和数量，可以分析材料的化学状态和元素含量，以及材料表面的电子结构。

光谱测试

在进行MoS2样品XPS测试时，需要使用一台XPS仪器。

该仪器通常使用镁KαX射线来激发材料表面的电子，然后测量被激发电子的能量分布和数量。

首先需要制备MoS2单晶或多晶样品，并将其切割成合适的尺寸。

然后使用甲醇或氯仿将样品表面清洗干净，以去除任何可能的杂质，启动XPS仪器，选择合适的X射线源和电子能量分辨率，根据样品的特性和所要测试的能级进行调整。

一般情况下，使用镁Kα（1253.6 eV）或铝Kα（1486.6 eV）X射线源来激发MoS2样品表面的电子，对X射线的能量进行标定，以确保测试结果的准确性。

科学家操作X光机器

使用已知的元素（如Ag、Au、Cu等）进行标定，记录对应的能量位置，将MoS2样品放置在样品台上，并用夹子夹紧以确保稳定。

在测试过程中，需要控制样品的温度和湿度，以避免对测试结果的影响。

将样品暴露在X射线下，测量被激发电子的能谱，在MoS2的XPS测试中，通常会测量Mo3d和S2p能级。

当X射线照射到MoS2样品表面时，会将一部分表面电子激发到更高的能级。这些被激发的电子会逃离MoS2样品，被引入能谱仪中进行分析。

X射线能谱仪

能谱仪会记录每个能级的电子数目，以及其对应的能量分布。使用专业的XPS数据处理软件对测量数据进行处理和分析。

可以根据能级的位置和强度，确定MoS2材料表面的化学状态和元素含量，并分析MoS2的电子结构。

比如在Mo 3d能级的测试中，可以测量到Mo3d5/2和Mo 3d3/2两个能级，它的能量分别为229.1 eV和232.5 eV。

通过分析这些能级的位置和强度，可以确定MoS2中Mo原子的氧化态和结合状态。

通过MoS2的XPS测试，可以了解MoS2材料表面化学成分和电子结构的信息。

这些信息对于理解MoS2材料的物理和化学特性、以及在能源、光电子学、催化等领域的应用具有重要意义。

MoS2材料化学成分

通过实验室制备方法，成功制备出超大面积单晶二硫化钼样品，它的结晶结构为六方层状结构，原子力显微镜观察结果显示，它表面形貌呈现出六角形蜂窝状的形态，并且可以看到其单层厚度约为0.7 nm。

在电学测试方面，在这个实验中，我们对样品进行了四探针电阻测试和霍尔效应测试，结果表明其为n型半导体材料。

此外，光电子发射光谱测试进一步证明了该样品具有优异的光电性能，其中包括高的光电转换效率和较长的寿命，这为该材料在电子器件和光电子器件中的应用提供了潜在的可能性。

明线光谱

小编观点

今天我们探讨了超大面积单晶二硫化钼的结构和电学性质，知道了它具有较高的电导率和载流子迁移率，同时在光电子发射光谱测试中，它表现出很好的光电转换效率和寿命。

这些特性使其在电子器件和光电子器件方面具有广泛的应用前景，比如可用于传感器、光电探测器、场效应晶体管等领域。

除此之外，还有许多其他的应用领域，比如太阳能电池、催化剂等。所以说超大面积单晶二硫化钼的应用前景非常广阔，是一个非常好的材料。