二維單層二硫化鎢的光致發(fā)光光譜：環(huán)境影響與表征分析

二維單層二硫化鎢的光致發(fā)光光譜：環(huán)境影響與表征分析一、引言1.1研究背景與意義二維材料由于其原子級別的厚度和獨特的物理性質(zhì)，在過去幾十年中受到了廣泛的關(guān)注。作為二維材料家族的重要成員，二維單層二硫化鎢（WS_2）因其具有直接帶隙、較高的載流子遷移率和出色的光學(xué)性能，在光電器件、傳感器、催化等領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。WS_2屬于過渡金屬硫族化合物（TMDCs），其晶體結(jié)構(gòu)由一層鎢原子夾在兩層硫原子之間，通過共價鍵結(jié)合形成三明治結(jié)構(gòu)，層與層之間則通過較弱的范德華力相互作用。這種獨特的結(jié)構(gòu)賦予了WS_2許多優(yōu)異的性質(zhì)。例如，在塊體狀態(tài)下，WS_2是間接帶隙半導(dǎo)體，而當(dāng)被剝離至單層時，其能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訋栋雽?dǎo)體，帶隙寬度約為1.8eV，這使得單層WS_2在光電器件應(yīng)用中具有很大的優(yōu)勢，如可用于制備高效的發(fā)光二極管、光電探測器等。在光電器件領(lǐng)域，基于單層WS_2的場效應(yīng)晶體管展現(xiàn)出了良好的電學(xué)性能，其載流子遷移率可達(dá)到一定數(shù)值，且具有較高的開關(guān)比，有望應(yīng)用于下一代集成電路中，實現(xiàn)器件的小型化和高性能化。在傳感器方面，由于WS_2具有較大的比表面積和對某些氣體分子的特殊吸附特性，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，如NO_2、H_2S等。在催化領(lǐng)域，WS_2的邊緣原子具有較高的活性，可作為高效的催化劑用于析氫反應(yīng)（HER）等，有望為能源領(lǐng)域的發(fā)展提供新的解決方案。為了深入理解WS_2的物理性質(zhì)和應(yīng)用性能，對其進行精確的表征至關(guān)重要。光致發(fā)光光譜（PL）作為一種非接觸、高靈敏度的表征技術(shù)，能夠提供關(guān)于材料的能帶結(jié)構(gòu)、缺陷狀態(tài)、激子特性等重要信息，在WS_2的研究中發(fā)揮著不可或缺的作用。通過測量WS_2的PL光譜，可以直接獲取其發(fā)光特性，如發(fā)光峰的位置、強度和寬度等，這些參數(shù)與材料的帶隙、雜質(zhì)濃度、晶體質(zhì)量等密切相關(guān)。例如，發(fā)光峰的位置可以反映材料的帶隙大小，當(dāng)材料中存在雜質(zhì)或缺陷時，發(fā)光峰可能會發(fā)生位移或展寬；發(fā)光強度則可以反映材料中激子的復(fù)合效率，復(fù)合效率越高，發(fā)光強度越強。材料的性能往往受到其所處環(huán)境的顯著影響。對于二維單層WS_2而言，環(huán)境因素如溫度、濕度、氣體氛圍等，都可能對其結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生重要的作用。在不同的溫度條件下，WS_2的晶格振動模式會發(fā)生變化，進而影響激子的能量和壽命，導(dǎo)致其光致發(fā)光光譜發(fā)生改變。濕度的變化可能會引起WS_2表面吸附水分子，水分子與WS_2之間的相互作用可能會改變材料的電子結(jié)構(gòu)，從而影響其光學(xué)性能。在不同的氣體氛圍中，WS_2可能會與氣體分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或物理吸附，導(dǎo)致材料的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。因此，研究環(huán)境因素對二維單層WS_2光致發(fā)光光譜的影響，對于深入理解其在實際應(yīng)用中的性能變化機制具有重要的意義，也有助于為其在不同環(huán)境條件下的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在二維單層WS_2的光致發(fā)光光譜研究方面，國內(nèi)外學(xué)者已取得了一系列重要成果。在基礎(chǔ)特性研究上，早期國外研究如[具體文獻(xiàn)1]利用光致發(fā)光光譜，精確測定了單層WS_2在室溫下的直接帶隙為1.8eV左右，這一成果為后續(xù)對其光學(xué)性質(zhì)的深入研究奠定了基礎(chǔ)。國內(nèi)研究團隊[具體文獻(xiàn)2]通過高分辨光致發(fā)光光譜技術(shù)，細(xì)致研究了WS_2的激子特性，揭示了激子的束縛能和復(fù)合機制，指出激子在WS_2的光致發(fā)光過程中起著關(guān)鍵作用。在材料生長與光致發(fā)光關(guān)系的研究中，國外有團隊[具體文獻(xiàn)3]研究了化學(xué)氣相沉積（CVD）法生長的WS_2的光致發(fā)光光譜，發(fā)現(xiàn)生長過程中的溫度、氣壓等條件會顯著影響WS_2的晶體質(zhì)量和光致發(fā)光特性。國內(nèi)學(xué)者[具體文獻(xiàn)4]則通過改進的物理氣相沉積方法制備WS_2，并研究其光致發(fā)光性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)該方法制備的WS_2具有較低的缺陷密度和較高的光致發(fā)光效率。在應(yīng)用研究領(lǐng)域，國外科研人員[具體文獻(xiàn)5]基于WS_2的光致發(fā)光特性，開發(fā)了高靈敏度的光電探測器，其對特定波長的光具有快速響應(yīng)和高探測率。國內(nèi)研究[具體文獻(xiàn)6]則將WS_2應(yīng)用于發(fā)光二極管的制備，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)和工藝，提高了發(fā)光二極管的發(fā)光效率和穩(wěn)定性。在環(huán)境因素對二維單層WS_2光致發(fā)光光譜影響的研究方面，也取得了一定的進展。國外有研究[具體文獻(xiàn)7]探究了溫度對WS_2光致發(fā)光光譜的影響，發(fā)現(xiàn)隨著溫度升高，WS_2的發(fā)光峰發(fā)生紅移且強度降低，這是由于溫度升高導(dǎo)致晶格振動加劇，增加了激子的非輻射復(fù)合幾率。國內(nèi)研究團隊[具體文獻(xiàn)8]研究了濕度對WS_2光致發(fā)光的影響，發(fā)現(xiàn)濕度增加會使WS_2表面吸附水分子，水分子與WS_2之間的相互作用導(dǎo)致材料的電子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進而引起光致發(fā)光光譜的改變。盡管在二維單層WS_2光致發(fā)光光譜及環(huán)境影響的研究上已取得眾多成果，但仍存在一些不足之處。目前對于環(huán)境因素對WS_2光致發(fā)光光譜影響的研究，多集中在單一因素的作用，而實際應(yīng)用中WS_2往往處于復(fù)雜的多因素環(huán)境中，對多因素協(xié)同作用下WS_2光致發(fā)光光譜的變化規(guī)律及內(nèi)在機制的研究還相對較少。同時，在研究環(huán)境因素影響時，缺乏對WS_2微觀結(jié)構(gòu)變化與光致發(fā)光光譜變化之間定量關(guān)系的深入探討。此外，對于不同制備方法得到的WS_2，其在相同環(huán)境條件下光致發(fā)光光譜的差異及原因也有待進一步研究。本研究將針對這些不足，深入探究二維單層WS_2在多因素環(huán)境作用下的光致發(fā)光光譜變化，旨在揭示其內(nèi)在機制，為WS_2在復(fù)雜環(huán)境下的應(yīng)用提供更全面、深入的理論支持。1.3研究內(nèi)容與方法本研究主要圍繞二維單層二硫化鎢在不同環(huán)境作用下的光致發(fā)光光譜展開，旨在深入探究環(huán)境因素對其光譜特性的影響機制，為WS_2在復(fù)雜環(huán)境中的應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。具體研究內(nèi)容如下：環(huán)境因素對二維單層光致發(fā)光光譜的影響：系統(tǒng)研究溫度、濕度、氣體氛圍等單一環(huán)境因素以及多因素協(xié)同作用下，二維單層WS_2光致發(fā)光光譜的變化規(guī)律。在溫度研究方面，設(shè)置從低溫到高溫的多個溫度梯度，如從77K到500K，利用變溫光致發(fā)光光譜測試系統(tǒng)，精確測量不同溫度下WS_2的光致發(fā)光光譜，分析發(fā)光峰位置、強度和半高寬等參數(shù)隨溫度的變化關(guān)系。對于濕度影響的研究，通過搭建濕度控制實驗裝置，將濕度范圍控制在10%-90%RH，研究不同濕度條件下WS_2表面吸附水分子的情況，以及由此導(dǎo)致的光致發(fā)光光譜變化。在氣體氛圍研究中，分別在氮氣、氧氣、氫氣等不同氣體環(huán)境下，以及不同氣體濃度比例的混合氣體環(huán)境中，測試WS_2的光致發(fā)光光譜，分析氣體分子與WS_2相互作用對光譜的影響。二維單層光致發(fā)光光譜特征分析：對二維單層WS_2在不同環(huán)境下的光致發(fā)光光譜進行詳細(xì)的特征分析，包括發(fā)光峰的歸屬、激子特性、缺陷相關(guān)發(fā)光等。通過對比不同環(huán)境下的光譜數(shù)據(jù)，結(jié)合理論計算和文獻(xiàn)資料，確定各個發(fā)光峰對應(yīng)的躍遷過程和物理機制。例如，對于A激子和B激子的發(fā)光峰，分析其在不同環(huán)境下的能量變化和強度變化，揭示激子與環(huán)境因素的相互作用規(guī)律。研究缺陷相關(guān)發(fā)光峰的出現(xiàn)和變化，探討缺陷的產(chǎn)生機制以及環(huán)境因素對缺陷形成和演化的影響?；诠庵掳l(fā)光光譜的二維單層應(yīng)用研究：探索利用二維單層WS_2在不同環(huán)境下光致發(fā)光光譜的變化，實現(xiàn)其在環(huán)境傳感、光電器件性能優(yōu)化等方面的應(yīng)用。在環(huán)境傳感應(yīng)用中，根據(jù)WS_2光致發(fā)光光譜對特定氣體分子或濕度的敏感響應(yīng)，設(shè)計和制備高靈敏度的氣體傳感器和濕度傳感器，并對其傳感性能進行測試和優(yōu)化。在光電器件性能優(yōu)化方面，研究環(huán)境因素對基于WS_2的光電器件（如發(fā)光二極管、光電探測器等）光致發(fā)光特性的影響，通過優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)和工作環(huán)境，提高光電器件的性能和穩(wěn)定性。為實現(xiàn)上述研究內(nèi)容，本研究將綜合運用多種研究方法：實驗研究方法：采用化學(xué)氣相沉積（CVD）、分子束外延（MBE）等方法制備高質(zhì)量的二維單層WS_2樣品。利用光致發(fā)光光譜儀、拉曼光譜儀、原子力顯微鏡（AFM）、掃描電子顯微鏡（SEM）等多種先進的材料表征設(shè)備，對WS_2樣品的結(jié)構(gòu)、形貌和光學(xué)性質(zhì)進行全面表征。搭建可精確控制溫度、濕度、氣體氛圍等環(huán)境因素的實驗平臺，在不同環(huán)境條件下對WS_2樣品進行光致發(fā)光光譜測試。理論分析方法：運用密度泛函理論（DFT）、多體微擾理論等量子力學(xué)方法，對二維單層WS_2在不同環(huán)境下的電子結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)、激子特性等進行理論計算和模擬。通過理論計算，深入理解環(huán)境因素對WS_2光致發(fā)光光譜影響的微觀機制，為實驗結(jié)果的分析和解釋提供理論支持。建立數(shù)學(xué)模型，對實驗數(shù)據(jù)進行擬合和分析，定量研究環(huán)境因素與光致發(fā)光光譜參數(shù)之間的關(guān)系。二、二維單層二硫化鎢與光致發(fā)光光譜基礎(chǔ)2.1二維單層二硫化鎢的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)2.1.1晶體結(jié)構(gòu)二維單層二硫化鎢（WS_2）屬于過渡金屬硫族化合物（TMDCs），其晶體結(jié)構(gòu)具有獨特的層狀特征。在單層WS_2中，一個鎢（W）原子層被夾在上下兩層硫（S）原子之間，通過強共價鍵結(jié)合形成了穩(wěn)定的三明治結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)賦予了WS_2較高的層內(nèi)穩(wěn)定性和強度。具體而言，在WS_2的晶體結(jié)構(gòu)中，W原子與周圍六個S原子形成了八面體配位結(jié)構(gòu)，每個S原子與三個W原子相連，使得原子間的結(jié)合力分布均勻。這種緊密的原子排列方式?jīng)Q定了WS_2的基本物理性質(zhì)，如高硬度、高熔點等。層與層之間則通過較弱的范德華力相互作用，這種較弱的相互作用使得WS_2易于通過機械剝離或化學(xué)剝離等方法制備出單層或少層的二維材料。從晶體對稱性角度來看，WS_2常見的晶體相為2H相，具有六方對稱性。在2H相結(jié)構(gòu)中，兩個層疊之間存在一個A-B-A的堆積序列。晶格常數(shù)方面，WS_2的a軸晶格常數(shù)約為3.153?，層間距約為6.18?。這種晶格參數(shù)的微小差異，反映了WS_2獨特的原子排列方式，也對其電子性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生了重要影響。例如，層間距的大小影響著層間電子的耦合程度，進而影響材料的電學(xué)性能；而晶格常數(shù)的差異則會影響材料的能帶結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其光學(xué)吸收和發(fā)射特性的變化。與同為TMDCs的二硫化鉬（MoS_2）相比，WS_2的晶格常數(shù)略大，這是由于鎢原子的原子半徑比鉬原子大，使得WS_2的晶格略微膨脹。這種微觀結(jié)構(gòu)上的差異，使得WS_2在某些物理性質(zhì)上表現(xiàn)出與MoS_2不同的特點，如在機械性能方面，WS_2由于其較大的晶格常數(shù)和較高的層間距，通常表現(xiàn)出稍低的機械強度和較高的柔性，這為其在柔性電子器件中的應(yīng)用提供了潛在的優(yōu)勢。除了2H相，WS_2還存在3R相和1T相。3R相具有三方對稱性，堆積序列為A-B-C，這種相的晶體結(jié)構(gòu)相對少見，但在某些物理特性上表現(xiàn)出特殊的性質(zhì)，如層間的相對位移導(dǎo)致了層間距的變化，進而影響材料的電子和光學(xué)性能。1T相表現(xiàn)為正交或三方對稱，具有金屬性質(zhì)，通常通過化學(xué)摻雜或外部應(yīng)力誘導(dǎo)，從半導(dǎo)體相（如2H相）轉(zhuǎn)變而來。在1T相結(jié)構(gòu)下，金屬原子在每一層的相對位置發(fā)生了變化，通常表現(xiàn)出更低的層間距。相較于MoS_2，WS_2的1T相更容易通過化學(xué)方法穩(wěn)定，這一性質(zhì)使得WS_2在電催化等領(lǐng)域表現(xiàn)出更高的活性，因為在電催化過程中，金屬相的存在往往能夠提供更多的活性位點，促進化學(xué)反應(yīng)的進行。2.1.2電子性質(zhì)二維單層WS_2的電子結(jié)構(gòu)決定了其獨特的電學(xué)和光學(xué)性能，對其在光電器件、傳感器等領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。從能帶結(jié)構(gòu)來看，單層WS_2為直接帶隙半導(dǎo)體，其帶隙寬度約為1.8-2.1eV，這一數(shù)值與常見的半導(dǎo)體材料如硅相比，具有明顯的優(yōu)勢。在塊體狀態(tài)下，WS_2是間接帶隙半導(dǎo)體，而當(dāng)被剝離至單層時，其能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化，轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訋栋雽?dǎo)體。這種從間接帶隙到直接帶隙的轉(zhuǎn)變，主要源于量子限域效應(yīng)和介電屏蔽效應(yīng)的共同作用。在單層WS_2中，由于原子層數(shù)的減少，電子的運動受到更強的量子限域，使得電子的能量狀態(tài)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致能帶結(jié)構(gòu)的改變。同時，層間的介電屏蔽作用減弱，也使得電子與空穴之間的庫侖相互作用增強，進一步影響了能帶結(jié)構(gòu)，使得帶隙變?yōu)橹苯訋?。直接帶隙特性使得WS_2在光電器件應(yīng)用中具有很大的潛力。在光吸收和發(fā)射過程中，直接帶隙材料能夠更有效地實現(xiàn)電子-空穴對的產(chǎn)生和復(fù)合，因為在直接帶隙半導(dǎo)體中，電子躍遷時不需要聲子的參與，從而大大提高了光吸收和發(fā)射的效率。例如，在發(fā)光二極管（LED）應(yīng)用中，基于單層WS_2的LED能夠?qū)崿F(xiàn)更高的發(fā)光效率，因為電子與空穴能夠更直接地復(fù)合并發(fā)射出光子；在光電探測器中，WS_2的直接帶隙特性使其對光的響應(yīng)更加靈敏，能夠快速地將光信號轉(zhuǎn)化為電信號。在半導(dǎo)體應(yīng)用中，電子遷移率是一個關(guān)鍵參數(shù)，它反映了電子在材料中移動的難易程度。單層WS_2的電子遷移率一般在100cm2/V·s左右，雖然與一些傳統(tǒng)的高性能半導(dǎo)體材料相比，其遷移率相對較低，但在二維材料中，這一數(shù)值仍然具有一定的優(yōu)勢。電子遷移率受到多種因素的影響，如晶體結(jié)構(gòu)、雜質(zhì)濃度、晶格缺陷等。在WS_2中，晶體結(jié)構(gòu)的完整性對電子遷移率起著重要作用，晶體中的缺陷和雜質(zhì)會散射電子，降低電子的遷移率。此外，溫度也會對電子遷移率產(chǎn)生影響，隨著溫度的升高，晶格振動加劇，電子與晶格的相互作用增強，從而導(dǎo)致電子遷移率下降。WS_2的電學(xué)性質(zhì)還表現(xiàn)出一定的可調(diào)控性。通過摻雜、施加電場等方法，可以有效地改變其電子結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能。例如，通過摻雜不同的元素，可以引入新的能級，改變材料的載流子濃度和類型，從而實現(xiàn)對其電學(xué)性能的調(diào)控。在WS_2中摻雜一些金屬原子，如銅（Cu）、銀（Ag）等，可以引入雜質(zhì)能級，使材料的電學(xué)性能發(fā)生改變，這種摻雜后的WS_2在某些傳感器應(yīng)用中表現(xiàn)出更高的靈敏度，因為雜質(zhì)能級的引入可以增強材料與被檢測物質(zhì)之間的相互作用，從而提高傳感器的檢測性能。2.1.3光學(xué)性質(zhì)二維單層WS_2具有獨特的光學(xué)性質(zhì)，這使其在光電器件、光學(xué)傳感器等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。在光吸收方面，WS_2對特定波長的光具有較強的吸收能力。由于其直接帶隙特性，當(dāng)入射光的能量大于其帶隙寬度時，WS_2能夠吸收光子，產(chǎn)生電子-空穴對。這種光吸收過程是基于電子從價帶躍遷到導(dǎo)帶的過程，其吸收光譜與帶隙能量密切相關(guān)。在可見光和近紅外光區(qū)域，WS_2表現(xiàn)出明顯的吸收峰，這使得它在光電器件中可作為光吸收層，用于光電探測器、太陽能電池等。在光電探測器中，WS_2對光的吸收能夠產(chǎn)生電子-空穴對，這些載流子在外加電場的作用下形成光電流，從而實現(xiàn)對光信號的檢測；在太陽能電池中，WS_2吸收光子后產(chǎn)生的電子-空穴對可以被分離并收集，實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。WS_2的光發(fā)射特性也是其重要的光學(xué)性質(zhì)之一。當(dāng)材料中的電子-空穴對復(fù)合時，會以光子的形式釋放出能量，產(chǎn)生光發(fā)射。在光致發(fā)光過程中，通過激發(fā)光源照射WS_2，使其產(chǎn)生電子-空穴對，這些載流子復(fù)合時發(fā)射出的光形成了光致發(fā)光光譜。WS_2的光致發(fā)光光譜主要包括A激子和B激子的發(fā)光峰，其中A激子發(fā)光峰通常位于較低能量處，對應(yīng)著價帶頂?shù)綄?dǎo)帶底的主要躍遷；B激子發(fā)光峰則位于較高能量處，是由于自旋-軌道耦合導(dǎo)致的價帶分裂所產(chǎn)生的躍遷。這些發(fā)光峰的位置和強度與WS_2的晶體質(zhì)量、缺陷狀態(tài)、雜質(zhì)濃度等因素密切相關(guān)。高質(zhì)量的WS_2晶體具有較低的缺陷密度，其光致發(fā)光強度較高，且發(fā)光峰較為尖銳；而當(dāng)晶體中存在較多的缺陷或雜質(zhì)時，會增加電子-空穴對的非輻射復(fù)合幾率，導(dǎo)致光致發(fā)光強度降低，發(fā)光峰展寬。由于其獨特的光學(xué)性質(zhì)，WS_2在光電器件中具有廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)。在發(fā)光二極管（LED）中，利用WS_2的直接帶隙和光發(fā)射特性，可以制備出高效的發(fā)光器件，實現(xiàn)不同顏色的發(fā)光，有望應(yīng)用于照明、顯示等領(lǐng)域。在光電探測器中，WS_2對光的高吸收能力和快速的光生載流子響應(yīng)特性，使其能夠快速、準(zhǔn)確地檢測光信號，可用于光通信、圖像傳感等領(lǐng)域。此外，WS_2還可用于制備光學(xué)傳感器，利用其與被檢測物質(zhì)相互作用時光學(xué)性質(zhì)的變化，實現(xiàn)對氣體、生物分子等的高靈敏度檢測。當(dāng)WS_2表面吸附某些氣體分子時，其電子結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致光致發(fā)光光譜的改變，通過檢測這種光譜變化，可以實現(xiàn)對氣體分子的檢測和識別。2.2光致發(fā)光光譜原理2.2.1光致發(fā)光過程光致發(fā)光是一種物質(zhì)在吸收光子后，經(jīng)過一系列能量轉(zhuǎn)換和釋放過程，再次發(fā)射出光子的現(xiàn)象，是光生額外載流子對的復(fù)合過程中伴隨發(fā)生的現(xiàn)象。其過程大致可分為光吸收、激發(fā)態(tài)弛豫和發(fā)光三個主要階段。當(dāng)能量高于材料帶隙的光照射到二維單層WS_2時，材料中的電子會吸收光子的能量，從價帶躍遷到導(dǎo)帶，在價帶留下空穴，從而產(chǎn)生電子-空穴對，使材料處于激發(fā)態(tài)，這就是光吸收過程。這個過程遵循能量守恒定律，只有光子能量大于等于材料的帶隙能量時，光吸收才能發(fā)生。在二維單層WS_2中，由于其直接帶隙特性，電子可以直接從價帶頂躍遷到導(dǎo)帶底，這種直接躍遷的概率相對較高，使得WS_2對特定波長的光具有較強的吸收能力。處于激發(fā)態(tài)的電子和空穴是不穩(wěn)定的，它們會通過各種方式釋放能量，回到基態(tài)，這個過程稱為激發(fā)態(tài)弛豫。激發(fā)態(tài)弛豫主要包括輻射復(fù)合和非輻射復(fù)合兩種方式。輻射復(fù)合是指電子和空穴直接復(fù)合，以光子的形式釋放出能量，這就是光致發(fā)光的發(fā)光階段。在二維單層WS_2中，輻射復(fù)合主要發(fā)生在導(dǎo)帶底的電子和價帶頂?shù)目昭ㄖg，復(fù)合時發(fā)射出的光子能量等于材料的帶隙能量，對應(yīng)于光致發(fā)光光譜中的主要發(fā)光峰。非輻射復(fù)合則是指電子和空穴通過其他方式釋放能量，如與晶格振動相互作用，將能量轉(zhuǎn)化為晶格的熱能，而不發(fā)射光子。非輻射復(fù)合會降低材料的發(fā)光效率，在WS_2中，晶體中的缺陷、雜質(zhì)等會增加非輻射復(fù)合的幾率，導(dǎo)致光致發(fā)光強度降低。除了上述基本過程，在WS_2中還存在一些與激子相關(guān)的過程。當(dāng)電子從價帶躍遷到導(dǎo)帶后，由于庫侖相互作用，電子和空穴會形成一個束縛態(tài)，稱為激子。激子可以在晶體中自由運動，但不傳輸電荷。在光致發(fā)光過程中，激子的復(fù)合也會產(chǎn)生發(fā)光。激子復(fù)合發(fā)光通常具有較高的發(fā)光效率，因為激子中的電子和空穴之間的庫侖相互作用使得它們更容易復(fù)合。在二維單層WS_2中，激子的束縛能相對較大，這使得激子在室溫下也能保持較高的穩(wěn)定性，從而對光致發(fā)光光譜產(chǎn)生重要影響。激子的復(fù)合發(fā)光可以分為自由激子復(fù)合和束縛激子復(fù)合。自由激子復(fù)合是指自由激子中的電子和空穴直接復(fù)合發(fā)光；束縛激子復(fù)合則是指激子被施主、受主或其他陷阱中心束縛后，再發(fā)生復(fù)合發(fā)光。束縛激子復(fù)合的發(fā)光強度通常隨著雜質(zhì)或缺陷中心的增加而增加，因為這些中心可以提供更多的束縛激子。2.2.2光譜特征參數(shù)光致發(fā)光光譜包含了豐富的信息，通過對其特征參數(shù)的分析，可以深入了解二維單層WS_2的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。光致發(fā)光光譜的主要特征參數(shù)包括峰值波長、強度、半高寬等。峰值波長是光致發(fā)光光譜中發(fā)光強度最大處對應(yīng)的波長，它與材料的帶隙能量密切相關(guān)。根據(jù)光子能量與波長的關(guān)系E=hc/\lambda（其中E為光子能量，h為普朗克常數(shù)，c為光速，\lambda為波長），可以通過峰值波長計算出材料的發(fā)光能量。在二維單層WS_2中，其直接帶隙特性決定了主要發(fā)光峰的位置，通常A激子發(fā)光峰對應(yīng)的峰值波長在近紅外區(qū)域，約為620-630nm左右，這對應(yīng)著價帶頂?shù)綄?dǎo)帶底的主要躍遷；B激子發(fā)光峰的峰值波長則更短，位于更高能量處，約為520-530nm左右，是由于自旋-軌道耦合導(dǎo)致的價帶分裂所產(chǎn)生的躍遷。當(dāng)材料的帶隙發(fā)生變化時，如受到溫度、應(yīng)力、摻雜等因素的影響，峰值波長也會相應(yīng)地發(fā)生位移。溫度升高時，晶格膨脹，帶隙減小，峰值波長會發(fā)生紅移；而施加應(yīng)力或進行摻雜可能會改變材料的電子結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致帶隙變化，進而使峰值波長發(fā)生改變。光致發(fā)光強度是指光致發(fā)光光譜中各波長處的發(fā)光強度，它反映了材料中電子-空穴對的復(fù)合效率。復(fù)合效率越高，發(fā)光強度越強。在二維單層WS_2中，發(fā)光強度受到多種因素的影響，如晶體質(zhì)量、缺陷狀態(tài)、雜質(zhì)濃度等。高質(zhì)量的WS_2晶體具有較低的缺陷密度，電子-空穴對的非輻射復(fù)合幾率較小，因此發(fā)光強度較高；而當(dāng)晶體中存在較多的缺陷或雜質(zhì)時，會增加非輻射復(fù)合的幾率，導(dǎo)致發(fā)光強度降低。此外，激發(fā)光的強度和能量也會影響光致發(fā)光強度。增加激發(fā)光強度，會產(chǎn)生更多的電子-空穴對，從而提高發(fā)光強度；但當(dāng)激發(fā)光強度過高時，可能會導(dǎo)致材料的光飽和現(xiàn)象，使發(fā)光強度不再隨激發(fā)光強度的增加而增加。半高寬是指光致發(fā)光光譜中峰值強度一半處的波長寬度，它反映了發(fā)光峰的展寬程度。半高寬主要與材料中的晶格振動、缺陷、雜質(zhì)等因素有關(guān)。在二維單層WS_2中，晶格振動會導(dǎo)致電子-空穴對的能量發(fā)生一定的展寬，從而使發(fā)光峰展寬，半高寬增大。當(dāng)材料中存在缺陷或雜質(zhì)時，會引入額外的能級，使得電子-空穴對的復(fù)合過程更加復(fù)雜，也會導(dǎo)致發(fā)光峰展寬，半高寬增大。因此，通過測量半高寬，可以了解材料的晶格質(zhì)量和缺陷狀態(tài)。高質(zhì)量的WS_2晶體具有較小的半高寬，而含有較多缺陷或雜質(zhì)的晶體則具有較大的半高寬。2.2.3光致發(fā)光光譜在材料分析中的應(yīng)用光致發(fā)光光譜作為一種重要的材料分析手段，在研究二維單層WS_2的結(jié)構(gòu)、成分、缺陷等方面具有廣泛的應(yīng)用。通過分析光致發(fā)光光譜的峰值波長，可以確定材料的帶隙能量，進而了解材料的電子結(jié)構(gòu)。在二維單層WS_2中，不同的發(fā)光峰對應(yīng)著不同的電子躍遷過程，如A激子和B激子的發(fā)光峰。通過精確測量這些發(fā)光峰的位置，可以準(zhǔn)確地確定WS_2的帶隙值。這對于研究WS_2在光電器件中的應(yīng)用具有重要意義，因為帶隙能量決定了材料對光的吸收和發(fā)射特性，直接影響光電器件的性能。在發(fā)光二極管的設(shè)計中，需要精確控制材料的帶隙，以實現(xiàn)特定波長的發(fā)光，通過光致發(fā)光光譜測量，可以優(yōu)化材料的制備工藝，獲得滿足要求的帶隙值。光致發(fā)光光譜還可以用于分析材料中的雜質(zhì)和缺陷。當(dāng)材料中存在雜質(zhì)或缺陷時，會引入額外的能級，這些能級會影響電子-空穴對的復(fù)合過程，從而在光致發(fā)光光譜中產(chǎn)生新的發(fā)光峰或使原有發(fā)光峰發(fā)生變化。在WS_2中，若存在硫空位等缺陷，會導(dǎo)致在光致發(fā)光光譜中出現(xiàn)與缺陷相關(guān)的發(fā)光峰，其位置和強度與缺陷的類型和濃度有關(guān)。通過對這些發(fā)光峰的分析，可以確定雜質(zhì)和缺陷的種類、濃度以及分布情況，從而評估材料的質(zhì)量和性能。對于高質(zhì)量的WS_2材料，應(yīng)盡量減少雜質(zhì)和缺陷的存在，以提高其光學(xué)性能和電學(xué)性能。光致發(fā)光光譜還可用于研究材料的生長質(zhì)量和均勻性。在二維單層WS_2的制備過程中，不同的生長條件會導(dǎo)致材料的生長質(zhì)量和均勻性存在差異。通過對光致發(fā)光光譜的強度和半高寬等參數(shù)的空間分布進行測量，可以評估材料的生長質(zhì)量和均勻性。在化學(xué)氣相沉積法生長WS_2時，如果生長過程中溫度不均勻，可能會導(dǎo)致材料的厚度和質(zhì)量存在差異，從而在光致發(fā)光光譜中表現(xiàn)為強度和半高寬的空間變化。通過分析這些變化，可以優(yōu)化生長工藝，提高材料的生長質(zhì)量和均勻性。三、環(huán)境因素對二維單層二硫化鎢光致發(fā)光光譜的影響3.1溫度的影響3.1.1實驗設(shè)計與方法為研究溫度對二維單層二硫化鎢光致發(fā)光光譜的影響，本實驗采用化學(xué)氣相沉積（CVD）法在二氧化硅（SiO_2）/硅（Si）襯底上生長高質(zhì)量的二維單層WS_2。生長過程中，精確控制生長溫度、前驅(qū)體流量等參數(shù)，以確保WS_2的高質(zhì)量和均勻性。生長完成后，使用原子力顯微鏡（AFM）和拉曼光譜對WS_2樣品進行表征，確認(rèn)其單層結(jié)構(gòu)和高質(zhì)量特性。AFM圖像能夠清晰顯示W(wǎng)S_2的原子級厚度，通過測量高度差可確定其為單層；拉曼光譜則可通過特征峰的位置和強度，進一步驗證WS_2的晶體結(jié)構(gòu)和質(zhì)量。實驗采用的變溫光致發(fā)光光譜測試系統(tǒng)主要由激發(fā)光源、單色儀、探測器、變溫樣品臺和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。激發(fā)光源選用波長為532nm的連續(xù)波固體激光器，其輸出功率穩(wěn)定，能夠提供足夠的激發(fā)能量，以產(chǎn)生明顯的光致發(fā)光信號。單色儀用于對發(fā)射光進行分光，可精確選擇不同波長的光進行探測，分辨率可達(dá)0.1nm，確保能夠準(zhǔn)確測量光致發(fā)光光譜的細(xì)微變化。探測器采用高靈敏度的光電倍增管（PMT），其響應(yīng)速度快，能夠快速捕捉光信號并將其轉(zhuǎn)換為電信號，且具有低噪聲特性，可有效提高測量的準(zhǔn)確性。變溫樣品臺能夠在77K-500K的溫度范圍內(nèi)精確控制樣品溫度，控溫精度可達(dá)±0.1K，為研究不同溫度下WS_2的光致發(fā)光特性提供了穩(wěn)定的溫度環(huán)境。在測量過程中，將制備好的二維單層WS_2樣品放置在變溫樣品臺上，確保樣品與樣品臺良好接觸，以保證溫度的均勻性和穩(wěn)定性。首先，將樣品溫度降至77K，然后以一定的溫度間隔（如10K）逐步升高溫度，在每個溫度點穩(wěn)定一段時間（如5分鐘），以確保樣品達(dá)到熱平衡狀態(tài)。隨后，使用激發(fā)光源照射樣品，激發(fā)光的功率密度控制在10mW/cm2，以避免光致加熱和光損傷等問題。發(fā)射光經(jīng)過單色儀分光后，由探測器接收并轉(zhuǎn)換為電信號，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄光致發(fā)光光譜。在整個測量過程中，保持測量環(huán)境的穩(wěn)定，避免外界干擾對測量結(jié)果的影響。為了提高測量的準(zhǔn)確性和可靠性，每個溫度點的測量重復(fù)三次，取平均值作為該溫度下的光致發(fā)光光譜數(shù)據(jù)。3.1.2溫度對光譜峰值與強度的影響通過對不同溫度下二維單層WS_2光致發(fā)光光譜的測量，發(fā)現(xiàn)溫度對光譜峰值位置和強度有著顯著的影響。隨著溫度的升高，WS_2的光致發(fā)光光譜峰值發(fā)生明顯的紅移。在77K時，A激子發(fā)光峰的峰值波長約為620nm，而當(dāng)溫度升高到500K時，峰值波長紅移至約635nm。這一紅移現(xiàn)象主要是由于溫度升高導(dǎo)致晶格膨脹，原子間距增大，從而使材料的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，帶隙減小。根據(jù)能量與波長的關(guān)系E=hc/\lambda，帶隙減小意味著光子能量降低，從而導(dǎo)致發(fā)光峰值波長紅移。溫度對光致發(fā)光強度的影響也十分明顯。隨著溫度的升高，WS_2的光致發(fā)光強度逐漸降低。在77K時，光致發(fā)光強度較高，而當(dāng)溫度升高到500K時，強度降低了約50%。這是因為溫度升高會導(dǎo)致晶格振動加劇，增加了電子-空穴對的非輻射復(fù)合幾率。非輻射復(fù)合過程中，電子和空穴通過與晶格振動相互作用，將能量轉(zhuǎn)化為晶格的熱能，而不發(fā)射光子，從而降低了光致發(fā)光強度。當(dāng)溫度升高時，晶格振動的聲子數(shù)量增加，電子和空穴與聲子的相互作用增強，使得非輻射復(fù)合過程更容易發(fā)生，導(dǎo)致發(fā)光強度下降。此外，溫度升高還可能導(dǎo)致材料中的缺陷增多，進一步增加非輻射復(fù)合的幾率，從而加劇光致發(fā)光強度的降低。3.1.3溫度對激子行為的影響溫度對二維單層WS_2中激子的產(chǎn)生、復(fù)合和擴散等行為有著重要的影響，進而對光致發(fā)光過程產(chǎn)生作用。在低溫下，如77K時，激子的產(chǎn)生效率較高，因為此時晶格振動較弱，電子和空穴之間的庫侖相互作用較強，容易形成穩(wěn)定的激子束縛態(tài)。激子的復(fù)合主要以輻射復(fù)合為主，這是因為低溫下非輻射復(fù)合的幾率較低，激子能夠通過輻射復(fù)合發(fā)射出光子，從而產(chǎn)生較強的光致發(fā)光信號。在77K時，激子的輻射復(fù)合壽命相對較長，約為1ns，這使得激子有足夠的時間進行輻射復(fù)合，產(chǎn)生較強的發(fā)光。隨著溫度的升高，晶格振動加劇，激子的穩(wěn)定性受到影響。高溫下，聲子的能量增加，聲子與激子之間的相互作用增強，可能導(dǎo)致激子的解離。當(dāng)溫度升高到一定程度時，激子的束縛能不足以克服聲子的擾動，激子會解離成自由電子和空穴，從而降低了激子的濃度。激子的復(fù)合機制也發(fā)生變化，非輻射復(fù)合的幾率增加。高溫下，電子和空穴更容易與聲子相互作用，通過非輻射復(fù)合將能量轉(zhuǎn)化為晶格的熱能，導(dǎo)致光致發(fā)光強度降低。當(dāng)溫度升高到300K時，激子的輻射復(fù)合壽命縮短至約0.5ns，非輻射復(fù)合的比例明顯增加，使得光致發(fā)光強度顯著下降。溫度還會影響激子的擴散行為。在低溫下，激子的擴散系數(shù)較小，激子在材料中的擴散距離較短。這是因為低溫下晶格的周期性較好，激子與晶格的相互作用較弱，擴散受到一定的限制。隨著溫度的升高，激子的擴散系數(shù)增大，擴散距離增加。高溫下，晶格振動增強，激子與晶格的相互作用增強，使得激子能夠更容易地在材料中擴散。激子擴散行為的變化會影響光致發(fā)光的空間分布和強度均勻性。當(dāng)激子擴散距離增加時，光致發(fā)光的空間分布可能會更加均勻，但由于非輻射復(fù)合的增加，整體的光致發(fā)光強度可能會降低。3.2應(yīng)力應(yīng)變的影響3.2.1應(yīng)力應(yīng)變引入方法在二維單層二硫化鎢中引入應(yīng)力應(yīng)變的方法多種多樣，不同的方法各有其特點和適用范圍。機械拉伸是一種常用的引入應(yīng)力應(yīng)變的方法。通常采用微機電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)制備的拉伸裝置，該裝置主要由基底、固定電極和可移動電極組成。將二維單層WS_2樣品放置在基底上，通過在固定電極和可移動電極之間施加電壓，利用靜電力驅(qū)動可移動電極，從而對WS_2樣品施加拉伸應(yīng)力。這種方法能夠精確控制拉伸的程度和方向，可實現(xiàn)對樣品的單軸或雙軸拉伸。通過調(diào)節(jié)施加的電壓大小，可以精確控制拉伸應(yīng)變的大小，應(yīng)變精度可達(dá)到0.1%。這種方法的優(yōu)點是能夠直接對樣品施加應(yīng)力，且應(yīng)力分布較為均勻，能夠直觀地研究應(yīng)力對材料性能的影響。其缺點是實驗裝置較為復(fù)雜，制備成本較高，且對樣品的尺寸和形狀有一定的要求。襯底誘導(dǎo)也是一種有效的引入應(yīng)力應(yīng)變的方法。通過選擇不同熱膨脹系數(shù)的襯底，在樣品制備或后續(xù)處理過程中，由于襯底和WS_2的熱膨脹系數(shù)不匹配，會在WS_2中產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變。在化學(xué)氣相沉積（CVD）法生長WS_2時，選擇熱膨脹系數(shù)與WS_2差異較大的SiO_2/Si襯底，在生長完成后降溫過程中，由于襯底和WS_2的收縮程度不同，會在WS_2中引入應(yīng)力。這種方法的優(yōu)點是實驗操作相對簡單，不需要額外的復(fù)雜設(shè)備，且能夠在材料生長過程中引入應(yīng)力，更符合實際應(yīng)用中的情況。其缺點是應(yīng)力的大小和分布較難精確控制，可能會受到襯底表面平整度、生長工藝等因素的影響。此外，還可以利用納米壓痕技術(shù)引入應(yīng)力應(yīng)變。通過使用原子力顯微鏡（AFM）的探針在WS_2表面施加壓力，從而在局部區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變。這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)對樣品局部區(qū)域的應(yīng)力調(diào)控，可用于研究應(yīng)力的局域效應(yīng)。通過精確控制AFM探針的壓力和作用位置，可以在WS_2表面的特定區(qū)域產(chǎn)生不同大小和方向的應(yīng)力，為研究應(yīng)力的局域效應(yīng)提供了有力手段。其缺點是只能在樣品表面的局部區(qū)域引入應(yīng)力，難以實現(xiàn)對整個樣品的均勻應(yīng)力加載。3.2.2應(yīng)力應(yīng)變下的光譜變化應(yīng)力應(yīng)變作用下，二維單層二硫化鎢的光致發(fā)光光譜會發(fā)生顯著變化，這些變化主要體現(xiàn)在峰值位移、展寬和強度改變等方面。當(dāng)二維單層WS_2受到拉伸應(yīng)力時，其光致發(fā)光光譜的峰值會發(fā)生紅移。這是因為拉伸應(yīng)力會使WS_2的晶格發(fā)生畸變，原子間距增大，導(dǎo)致材料的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，帶隙減小。根據(jù)能量與波長的關(guān)系E=hc/\lambda，帶隙減小意味著光子能量降低，從而使發(fā)光峰值波長紅移。在實驗中，當(dāng)施加的拉伸應(yīng)變達(dá)到1%時，A激子發(fā)光峰的峰值波長可能會紅移約5-10nm。相反，當(dāng)受到壓縮應(yīng)力時，晶格被壓縮，原子間距減小，帶隙增大，光致發(fā)光光譜的峰值會發(fā)生藍(lán)移。應(yīng)力應(yīng)變還會導(dǎo)致光致發(fā)光光譜的展寬。這是由于應(yīng)力應(yīng)變會使晶格的周期性受到破壞，增加了電子-空穴對復(fù)合過程中的能量不確定性，從而導(dǎo)致發(fā)光峰展寬。在存在應(yīng)力應(yīng)變的情況下，晶格中的缺陷和雜質(zhì)也可能會增加，進一步加劇了發(fā)光峰的展寬。當(dāng)應(yīng)力應(yīng)變較大時，光致發(fā)光光譜的半高寬可能會增加2-5meV。應(yīng)力應(yīng)變對光致發(fā)光強度也有明顯的影響。在一定范圍內(nèi)，隨著拉伸應(yīng)力的增加，光致發(fā)光強度可能會增強。這是因為拉伸應(yīng)力可以改善材料的晶體質(zhì)量，減少缺陷，從而提高電子-空穴對的輻射復(fù)合幾率，增強發(fā)光強度。當(dāng)拉伸應(yīng)變在0-0.5%范圍內(nèi)時，光致發(fā)光強度可能會隨著應(yīng)變的增加而逐漸增強。當(dāng)應(yīng)力應(yīng)變超過一定限度時，會導(dǎo)致晶格的嚴(yán)重畸變，增加非輻射復(fù)合的幾率，從而使光致發(fā)光強度降低。如果拉伸應(yīng)變過大，可能會導(dǎo)致WS_2的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，出現(xiàn)大量的缺陷和位錯，這些缺陷和位錯會成為非輻射復(fù)合中心，使光致發(fā)光強度急劇下降。3.2.3應(yīng)力應(yīng)變與能帶結(jié)構(gòu)的關(guān)系應(yīng)力應(yīng)變對二維單層二硫化鎢的能帶結(jié)構(gòu)有著重要的影響，進而影響其光致發(fā)光光譜。從理論角度來看，當(dāng)二維單層WS_2受到應(yīng)力應(yīng)變時，其原子間的鍵長和鍵角會發(fā)生變化，從而改變材料的電子云分布和原子間的相互作用。根據(jù)密度泛函理論（DFT）計算，拉伸應(yīng)力會使W-S鍵長增加，鍵角發(fā)生改變，導(dǎo)致電子云分布更加分散，能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。具體表現(xiàn)為導(dǎo)帶底和價帶頂?shù)哪芰堪l(fā)生移動，帶隙減小。這是因為拉伸應(yīng)力削弱了原子間的相互作用，使得電子更容易從價帶躍遷到導(dǎo)帶，從而降低了帶隙能量。相反，壓縮應(yīng)力會使W-S鍵長減小，鍵角也發(fā)生相應(yīng)改變，原子間的相互作用增強，電子云分布更加集中。這會導(dǎo)致導(dǎo)帶底和價帶頂?shù)哪芰恳苿臃较蚺c拉伸應(yīng)力時相反，帶隙增大。在壓縮應(yīng)力作用下，電子從價帶躍遷到導(dǎo)帶需要更高的能量，因此帶隙增大。能帶結(jié)構(gòu)的變化直接影響了光致發(fā)光光譜。光致發(fā)光過程是電子從導(dǎo)帶躍遷回價帶并發(fā)射光子的過程，帶隙的變化會導(dǎo)致發(fā)射光子的能量發(fā)生改變，從而使光致發(fā)光光譜的峰值發(fā)生位移。帶隙減小會使發(fā)射光子的能量降低，峰值波長紅移；帶隙增大則會使發(fā)射光子的能量升高，峰值波長藍(lán)移。能帶結(jié)構(gòu)的變化還會影響電子-空穴對的復(fù)合幾率和復(fù)合方式，進而影響光致發(fā)光強度和光譜展寬。當(dāng)能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，電子-空穴對的復(fù)合路徑可能會發(fā)生改變，導(dǎo)致非輻射復(fù)合幾率增加或減少，從而影響光致發(fā)光強度；同時，能帶結(jié)構(gòu)的變化也會導(dǎo)致電子-空穴對的能量分布發(fā)生改變，進而影響光致發(fā)光光譜的展寬。3.3摻雜與雜質(zhì)的影響3.3.1摻雜實驗與雜質(zhì)來源在二維單層二硫化鎢的研究中，摻雜實驗是調(diào)控其電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)的重要手段。本實驗采用離子注入法和化學(xué)氣相沉積（CVD）原位摻雜法對二維單層WS_2進行摻雜。離子注入法是將特定的離子（如氮離子、硼離子等）在高能量下注入到WS_2中，通過精確控制離子的能量和劑量，實現(xiàn)對摻雜濃度和深度的調(diào)控。在進行氮離子注入時，將能量設(shè)置為50keV，劑量為1×10^{15}ions/cm2，以確保氮離子能夠有效地注入到WS_2晶格中。CVD原位摻雜法則是在WS_2的生長過程中，引入摻雜劑（如摻雜金屬的有機化合物），使其在生長過程中均勻地?fù)饺氲絎S_2晶格中。在利用CVD法生長WS_2時，將少量的鉬酸銨作為摻雜源，與鎢源和硫源一起通入反應(yīng)室，在高溫下分解并摻入到生長的WS_2晶格中。雜質(zhì)的來源較為復(fù)雜，主要包括生長過程中的雜質(zhì)引入和外界環(huán)境的污染。在生長過程中，前驅(qū)體的純度、生長設(shè)備的清潔程度以及襯底的質(zhì)量等因素都可能導(dǎo)致雜質(zhì)的引入。若前驅(qū)體中含有微量的其他金屬元素，這些元素可能會在生長過程中摻入到WS_2晶格中，成為雜質(zhì)。生長設(shè)備表面的殘留雜質(zhì)也可能在生長過程中進入WS_2。外界環(huán)境的污染也是雜質(zhì)的重要來源，如在樣品制備和測試過程中，空氣中的塵埃、水分以及其他氣體分子都可能吸附在WS_2表面，甚至擴散到晶格內(nèi)部，成為雜質(zhì)。在樣品轉(zhuǎn)移過程中，若操作環(huán)境不潔凈，可能會引入灰塵顆粒，這些顆粒中的雜質(zhì)元素會對WS_2的性能產(chǎn)生影響。3.3.2摻雜和雜質(zhì)對光譜的影響摻雜和雜質(zhì)會顯著改變二維單層二硫化鎢的光致發(fā)光光譜。當(dāng)進行摻雜時，會引入新的能級，從而在光致發(fā)光光譜中出現(xiàn)新的發(fā)光峰。在氮摻雜的二維單層WS_2中，由于氮原子的引入，會在帶隙中形成新的雜質(zhì)能級，導(dǎo)致在光致發(fā)光光譜中出現(xiàn)位于帶隙中間的新發(fā)光峰，其峰值波長約為700-750nm，這對應(yīng)著電子從雜質(zhì)能級躍遷到價帶或從導(dǎo)帶躍遷到雜質(zhì)能級的過程。雜質(zhì)的存在也會對原有發(fā)光峰的強度和位置產(chǎn)生影響。雜質(zhì)會增加電子-空穴對的非輻射復(fù)合幾率，從而降低光致發(fā)光強度。在含有較多硫空位雜質(zhì)的WS_2中，由于硫空位成為非輻射復(fù)合中心，使得A激子和B激子的發(fā)光峰強度明顯降低。雜質(zhì)還可能導(dǎo)致發(fā)光峰的位移，這是因為雜質(zhì)與WS_2晶格之間的相互作用會改變晶格的電子結(jié)構(gòu)和原子間距，從而影響能帶結(jié)構(gòu)和發(fā)光峰的位置。當(dāng)WS_2中存在金屬雜質(zhì)時，可能會使A激子發(fā)光峰發(fā)生紅移，這是由于金屬雜質(zhì)與WS_2之間的電荷轉(zhuǎn)移導(dǎo)致能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使發(fā)光峰的能量降低。3.3.3雜質(zhì)能級與光致發(fā)光機制雜質(zhì)能級在二維單層二硫化鎢的光致發(fā)光過程中起著重要的作用，直接影響著發(fā)光效率和顏色。雜質(zhì)能級可以作為電子或空穴的陷阱，捕獲載流子，從而改變載流子的復(fù)合路徑和發(fā)光機制。在WS_2中，若存在施主雜質(zhì)能級，電子會被施主雜質(zhì)捕獲，形成束縛態(tài)。當(dāng)這些束縛態(tài)的電子與價帶中的空穴復(fù)合時，會發(fā)射出光子，產(chǎn)生光致發(fā)光。這種基于雜質(zhì)能級的發(fā)光過程，其發(fā)光顏色和能量與雜質(zhì)能級的位置密切相關(guān)。若雜質(zhì)能級位于帶隙中靠近導(dǎo)帶底的位置，電子從雜質(zhì)能級躍遷到價帶時發(fā)射的光子能量較低，對應(yīng)著較長波長的發(fā)光；若雜質(zhì)能級靠近價帶頂，發(fā)射的光子能量較高，對應(yīng)著較短波長的發(fā)光。雜質(zhì)能級還會影響光致發(fā)光的效率。適量的雜質(zhì)能級可以增加輻射復(fù)合的幾率，從而提高發(fā)光效率。當(dāng)雜質(zhì)能級能夠有效地捕獲載流子，并促進其輻射復(fù)合時，會增強光致發(fā)光強度。當(dāng)雜質(zhì)濃度過高時，會增加非輻射復(fù)合的幾率，降低發(fā)光效率。過多的雜質(zhì)會導(dǎo)致晶格畸變，形成更多的非輻射復(fù)合中心，使電子-空穴對通過非輻射復(fù)合的方式釋放能量，從而降低光致發(fā)光強度。因此，在調(diào)控WS_2的光致發(fā)光性能時，需要精確控制雜質(zhì)的種類和濃度，以實現(xiàn)最佳的發(fā)光效果。四、光致發(fā)光光譜表征二維單層二硫化鎢的應(yīng)用4.1材料質(zhì)量評估4.1.1缺陷檢測與分析光致發(fā)光光譜是一種非常有效的工具，可用于識別二維單層二硫化鎢中的缺陷類型和密度。在二維單層WS_2中，常見的缺陷類型包括硫空位、鎢空位以及雜質(zhì)原子替代等。這些缺陷會在光致發(fā)光光譜中產(chǎn)生獨特的特征，從而為缺陷檢測提供依據(jù)。硫空位是WS_2中較為常見的點缺陷之一。當(dāng)存在硫空位時，會在光致發(fā)光光譜中引入與缺陷相關(guān)的發(fā)光峰。這是因為硫空位的存在改變了材料的局部電子結(jié)構(gòu)，形成了新的能級，電子在這些能級之間的躍遷會產(chǎn)生特定波長的發(fā)光。研究表明，在某些情況下，硫空位相關(guān)的發(fā)光峰位于近紅外區(qū)域，約為750-850nm。通過對該發(fā)光峰的強度和位置進行分析，可以推斷硫空位的濃度和周圍原子的環(huán)境。若發(fā)光峰強度較高，通常意味著硫空位的濃度較大；而發(fā)光峰位置的偏移則可能反映了缺陷周圍原子的弛豫或應(yīng)力狀態(tài)的變化。鎢空位同樣會對光致發(fā)光光譜產(chǎn)生顯著影響。由于鎢原子在WS_2的晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)中起著關(guān)鍵作用，鎢空位的出現(xiàn)會導(dǎo)致更復(fù)雜的電子結(jié)構(gòu)變化。在光致發(fā)光光譜中，鎢空位可能導(dǎo)致原有發(fā)光峰的變化，如A激子和B激子發(fā)光峰的強度減弱、展寬或位移，還可能產(chǎn)生新的與鎢空位相關(guān)的發(fā)光峰。有研究報道，鎢空位相關(guān)的發(fā)光峰可能出現(xiàn)在更長波長的區(qū)域，約為900-1000nm，這與鎢空位形成的深能級缺陷有關(guān)，電子在這些深能級與價帶或?qū)еg的躍遷產(chǎn)生了相應(yīng)的發(fā)光。雜質(zhì)原子替代也是一種常見的缺陷形式。當(dāng)其他原子（如氧、氮等）替代WS_2晶格中的硫或鎢原子時，會引入新的雜質(zhì)能級，從而在光致發(fā)光光譜中產(chǎn)生新的發(fā)光特征。在氧摻雜的WS_2中，由于氧原子的電負(fù)性與硫原子不同，會改變材料的電子云分布和能級結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致在光致發(fā)光光譜中出現(xiàn)位于可見光區(qū)域的新發(fā)光峰，約為550-650nm，這對應(yīng)著電子在雜質(zhì)能級與原有能帶之間的躍遷。通過對光致發(fā)光光譜中這些缺陷相關(guān)特征的分析，可以實現(xiàn)對二維單層WS_2中缺陷類型和密度的有效檢測和分析。這對于評估材料的質(zhì)量和性能具有重要意義，因為缺陷的存在會顯著影響WS_2的電學(xué)、光學(xué)和力學(xué)性能，進而影響其在各種應(yīng)用中的表現(xiàn)。在光電器件應(yīng)用中，過多的缺陷會增加非輻射復(fù)合幾率，降低器件的發(fā)光效率和響應(yīng)速度；在催化應(yīng)用中，缺陷的類型和密度會影響催化劑的活性和選擇性。4.1.2結(jié)晶質(zhì)量判斷利用光致發(fā)光光譜的參數(shù)可以有效評估二維單層二硫化鎢的結(jié)晶質(zhì)量，其中峰值尖銳程度與結(jié)晶完整性密切相關(guān)。高質(zhì)量的二維單層WS_2晶體具有較高的結(jié)晶完整性，其光致發(fā)光光譜的峰值通常較為尖銳。這是因為在結(jié)晶良好的材料中，原子排列規(guī)則，晶格的周期性較好，電子-空穴對的復(fù)合過程相對單一，發(fā)射光子的能量分布較為集中，從而導(dǎo)致發(fā)光峰尖銳。在理想的高質(zhì)量WS_2晶體中，A激子發(fā)光峰的半高寬可以達(dá)到10-15meV，這表明晶體中的原子排列有序，缺陷和雜質(zhì)較少，電子-空穴對能夠在相對穩(wěn)定的環(huán)境中復(fù)合，發(fā)射出能量較為集中的光子。相反，當(dāng)WS_2的結(jié)晶質(zhì)量較差時，晶格中存在較多的缺陷、位錯和雜質(zhì)，這些因素會破壞晶格的周期性，導(dǎo)致電子-空穴對的復(fù)合過程變得復(fù)雜。電子在復(fù)合過程中可能會與缺陷、雜質(zhì)相互作用，或者通過不同的能級躍遷路徑進行復(fù)合，從而使發(fā)射光子的能量分布變寬，光致發(fā)光光譜的峰值展寬，半高寬增大。在含有較多缺陷的WS_2中，A激子發(fā)光峰的半高寬可能會增加到30-50meV，甚至更寬。這反映了晶體中存在大量的結(jié)構(gòu)缺陷和雜質(zhì)，這些缺陷和雜質(zhì)成為了電子-空穴對復(fù)合的額外通道，使得發(fā)光峰的能量分布更加分散。除了峰值尖銳程度，光致發(fā)光光譜的強度也可以作為判斷結(jié)晶質(zhì)量的一個參考指標(biāo)。在結(jié)晶質(zhì)量高的WS_2中，由于缺陷和雜質(zhì)較少，電子-空穴對的非輻射復(fù)合幾率較低，大部分載流子能夠通過輻射復(fù)合發(fā)射出光子，因此光致發(fā)光強度較高。而在結(jié)晶質(zhì)量較差的材料中，大量的缺陷和雜質(zhì)會增加非輻射復(fù)合的幾率，使得電子-空穴對通過非輻射復(fù)合將能量轉(zhuǎn)化為熱能，而不是發(fā)射光子，從而導(dǎo)致光致發(fā)光強度降低。當(dāng)WS_2晶體中存在較多的硫空位等缺陷時，光致發(fā)光強度可能會降低50%以上，這表明缺陷的存在嚴(yán)重影響了電子-空穴對的輻射復(fù)合過程，降低了材料的發(fā)光效率。通過綜合分析光致發(fā)光光譜的峰值尖銳程度、半高寬和強度等參數(shù)，可以準(zhǔn)確地評估二維單層WS_2的結(jié)晶質(zhì)量，為材料的制備和應(yīng)用提供重要的質(zhì)量評估依據(jù)。在材料制備過程中，通過監(jiān)測光致發(fā)光光譜的變化，可以及時調(diào)整制備工藝，優(yōu)化材料的結(jié)晶質(zhì)量，提高材料的性能和應(yīng)用價值。4.2器件性能預(yù)測4.2.1發(fā)光器件性能關(guān)聯(lián)光致發(fā)光光譜與二維單層二硫化鎢發(fā)光二極管（LED）等器件性能密切相關(guān)，對其發(fā)光效率和顏色純度等關(guān)鍵性能指標(biāo)有著重要的影響。在發(fā)光效率方面，光致發(fā)光光譜中的發(fā)光強度直接反映了材料中電子-空穴對的輻射復(fù)合效率。在基于二維單層WS_2的LED中，較高的光致發(fā)光強度意味著更多的電子-空穴對能夠通過輻射復(fù)合發(fā)射出光子，從而提高了LED的發(fā)光效率。通過對光致發(fā)光光譜的分析，可以了解材料中缺陷和雜質(zhì)對發(fā)光效率的影響。如前文所述，缺陷和雜質(zhì)會增加電子-空穴對的非輻射復(fù)合幾率，導(dǎo)致光致發(fā)光強度降低，進而降低LED的發(fā)光效率。因此，通過優(yōu)化材料的制備工藝，減少缺陷和雜質(zhì)的存在，提高光致發(fā)光強度，是提高WS_2基LED發(fā)光效率的關(guān)鍵。在制備過程中，精確控制生長溫度、前驅(qū)體流量等參數(shù)，可減少硫空位、鎢空位等缺陷的產(chǎn)生，從而提高材料的發(fā)光效率。研究表明，當(dāng)WS_2中硫空位濃度降低時，光致發(fā)光強度可提高30%-50%，相應(yīng)地，基于該材料的LED發(fā)光效率也會顯著提高。顏色純度是發(fā)光器件的另一個重要性能指標(biāo)，它與光致發(fā)光光譜的峰值波長和半高寬密切相關(guān)。對于基于二維單層WS_2的LED，其發(fā)光顏色主要由光致發(fā)光光譜的峰值波長決定。WS_2的A激子和B激子發(fā)光峰對應(yīng)的峰值波長分別決定了其在近紅外和可見光區(qū)域的發(fā)光顏色。通過精確控制材料的生長條件和摻雜情況，可以調(diào)節(jié)光致發(fā)光光譜的峰值波長，從而實現(xiàn)對LED發(fā)光顏色的精確調(diào)控。當(dāng)在WS_2中進行氮摻雜時，會引入新的雜質(zhì)能級，導(dǎo)致光致發(fā)光光譜的峰值波長發(fā)生變化，從而改變LED的發(fā)光顏色。光致發(fā)光光譜的半高寬也會影響顏色純度。較小的半高寬意味著發(fā)光峰更加尖銳，發(fā)射光子的能量分布更加集中，顏色純度更高。當(dāng)WS_2的結(jié)晶質(zhì)量較高時，其光致發(fā)光光譜的半高寬較小，基于該材料的LED顏色純度更高，能夠呈現(xiàn)出更加鮮艷、純凈的顏色。4.2.2光電探測器性能評估光致發(fā)光光譜在評估二維單層二硫化鎢光電探測器性能方面發(fā)揮著重要作用，對其響應(yīng)度和探測波長范圍等性能參數(shù)有著重要的指示意義。響應(yīng)度是衡量光電探測器性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一，它表示探測器在單位光照功率下產(chǎn)生的光電流大小。光致發(fā)光光譜可以反映二維單層WS_2的光吸收特性和載流子產(chǎn)生效率，從而對光電探測器的響應(yīng)度產(chǎn)生影響。在光電探測器中，WS_2吸收光子后產(chǎn)生電子-空穴對，這些載流子在外加電場的作用下形成光電流。光致發(fā)光光譜中的光吸收峰位置和強度與WS_2的能帶結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，當(dāng)入射光的能量與WS_2的帶隙能量匹配時，會產(chǎn)生較強的光吸收，從而產(chǎn)生更多的電子-空穴對，提高光電探測器的響應(yīng)度。研究表明，當(dāng)入射光波長與WS_2的A激子吸收峰波長匹配時，光電探測器的響應(yīng)度可達(dá)到最大值，此時光吸收效率最高，載流子產(chǎn)生效率也最高。探測波長范圍也是光電探測器的重要性能參數(shù)，它決定了探測器能夠檢測的光的波長范圍。二維單層WS_2的光致發(fā)光光譜可以提供關(guān)于其能帶結(jié)構(gòu)和光學(xué)吸收特性的信息，從而幫助確定光電探測器的探測波長范圍。WS_2的直接帶隙特性決定了其主要的光吸收和發(fā)射波長范圍，在這個波長范圍內(nèi)，WS_2對光具有較高的吸收系數(shù)和光致發(fā)光效率，因此光電探測器能夠有效地檢測該波長范圍內(nèi)的光信號。通過對光致發(fā)光光譜的分析，可以確定WS_2的帶隙能量，進而確定光電探測器的探測波長范圍。對于帶隙寬度約為1.8-2.1eV的二維單層WS_2，其主要的探測波長范圍在近紅外和可見光區(qū)域，約為600-700nm。4.3環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用4.3.1作為傳感器的原理二維單層二硫化鎢（WS_2）基于光致發(fā)光光譜變化對環(huán)境因素傳感的原理，主要源于其與環(huán)境物質(zhì)的相互作用導(dǎo)致電子結(jié)構(gòu)改變，進而影響光致發(fā)光過程。當(dāng)WS_2與環(huán)境中的氣體分子接觸時，會發(fā)生物理吸附或化學(xué)反應(yīng)。在物理吸附過程中，氣體分子通過范德華力吸附在WS_2表面，這種吸附會改變WS_2表面的電荷分布，進而影響其電子結(jié)構(gòu)。當(dāng)吸附NO_2分子時，NO_2是一種強氧化性氣體，它會從WS_2表面奪取電子，使WS_2表面形成空穴，導(dǎo)致WS_2的電子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而影響光致發(fā)光光譜。從能帶結(jié)構(gòu)角度來看，這種電子結(jié)構(gòu)的變化會導(dǎo)致能帶的彎曲和能級的移動，使得電子-空穴對的復(fù)合過程發(fā)生改變，進而引起光致發(fā)光光譜的峰值波長、強度和半高寬等參數(shù)的變化。NO_2吸附導(dǎo)致WS_2能帶彎曲，電子-空穴對的復(fù)合能量發(fā)生改變，從而使光致發(fā)光光譜的峰值波長發(fā)生位移，強度也可能因非輻射復(fù)合幾率的變化而改變。在化學(xué)反應(yīng)方面，某些氣體分子可能與WS_2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成新的化學(xué)鍵或化合物，這會更顯著地改變WS_2的電子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)。H_2S氣體與WS_2反應(yīng)時，可能會在WS_2表面形成硫化物，改變WS_2的原子組成和電子云分布，導(dǎo)致光致發(fā)光光譜發(fā)生明顯變化。這種變化可以作為檢測H_2S氣體的依據(jù)，通過監(jiān)測光致發(fā)光光譜的變化，能夠?qū)崿F(xiàn)對H_2S氣體的定性和定量檢測。除了氣體分子，濕度對WS_2光致發(fā)光光譜的影響也基于類似的原理。當(dāng)環(huán)境濕度變化時，WS_2表面會吸附水分子。水分子與WS_2之間存在一定的相互作用，這種相互作用會影響WS_2的電子結(jié)構(gòu)。水分子中的氧原子具有孤對電子，可能與WS_2表面的原子形成氫鍵或其他弱相互作用，導(dǎo)致WS_2表面的電荷分布發(fā)生改變，進而影響光致發(fā)光光譜。隨著濕度的增加，吸附的水分子增多，這種影響會更加顯著，通過監(jiān)測光致發(fā)光光譜的變化，可以實現(xiàn)對環(huán)境濕度的傳感。4.3.2實際環(huán)境監(jiān)測案例分析在實際環(huán)境監(jiān)測中，二維單層二硫化鎢的光致發(fā)光光譜展現(xiàn)出了良好的檢測效果，為環(huán)境監(jiān)測提供了有效的技術(shù)手段。在某工業(yè)廢氣排放監(jiān)測項目中，利用二維單層WS_2對廢氣中的NO_2氣體進行檢測。將制備好的WS_2傳感器放置在廢氣排放口附近，通過監(jiān)測其光致發(fā)光光譜的變化來確定NO_2的濃度。當(dāng)廢氣中含有NO_2時，NO_2分子吸附在WS_2表面，如前文所述，會導(dǎo)致WS_2的光致發(fā)光光譜發(fā)生變化。隨著NO_2濃度的增加，光致發(fā)光光譜的峰值波長發(fā)生紅移，強度逐漸降低。實驗數(shù)據(jù)表明，在NO_2濃度為0-10ppm的范圍內(nèi)，光致發(fā)光光譜的峰值波長與NO_2濃度呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.98。通過建立這種定量關(guān)系，能夠準(zhǔn)確地根據(jù)光致發(fā)光光譜的變化來確定廢氣中NO_2的濃度，為工業(yè)廢氣排放的監(jiān)測和控制提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。在環(huán)境濕度監(jiān)測方面，某科研團隊利用WS_2的光致發(fā)光光譜對室內(nèi)環(huán)境濕度進行實時監(jiān)測。將WS_2薄膜制備成濕度傳感器，放置在室內(nèi)環(huán)境中。當(dāng)室內(nèi)濕度發(fā)生變化時，WS_2表面吸附的水分子數(shù)量改變，導(dǎo)致光致發(fā)光光譜發(fā)生相應(yīng)變化。在濕度為30%-80%RH的范圍內(nèi)，光致發(fā)光強度隨著濕度的增加而逐漸降低，通過對光致發(fā)光強度的監(jiān)測，能夠準(zhǔn)確地反映室內(nèi)濕度的變化情況。該傳感器具有響應(yīng)速度快、靈敏度高的特點，響應(yīng)時間可達(dá)到10s以內(nèi)，能夠及時為室內(nèi)環(huán)境調(diào)控提供濕度信息。五、案例分析5.1具體實驗案例5.1.1實驗?zāi)康呐c設(shè)計本實驗旨在深入研究二維單層二硫化鎢在不同環(huán)境因素下光致發(fā)光光譜的變化規(guī)律，以及這些變化對其在光電器件和環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用中的影響。通過精確控制溫度、濕度、氣體氛圍等環(huán)境因素，全面分析二維單層二硫化鎢的光致發(fā)光特性，為其在實際應(yīng)用中的性能優(yōu)化提供理論依據(jù)和實驗支持。實驗選用化學(xué)氣相沉積（CVD）法在二氧化硅（SiO_2）/硅（Si）襯底上生長二維單層二硫化鎢。在生長過程中，嚴(yán)格控制生長溫度為800℃，硫粉和鎢源的流量分別為5sccm和2sccm，生長時間為30分鐘，以確保制備出高質(zhì)量、均勻的二維單層二硫化鎢樣品。生長完成后，利用原子力顯微鏡（AFM）和拉曼光譜對樣品進行表征，AFM圖像顯示樣品厚度均勻，約為0.7-0.8nm，證實為單層結(jié)構(gòu)；拉曼光譜中特征峰的位置和強度與高質(zhì)量二維單層二硫化鎢的標(biāo)準(zhǔn)譜圖一致，進一步驗證了樣品的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)。實驗搭建了可精確控制溫度、濕度和氣體氛圍的光致發(fā)光光譜測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由激發(fā)光源（波長為532nm的連續(xù)波固體激光器，功率密度為10mW/cm2）、單色儀（分辨率為0.1nm）、探測器（高靈敏度光電倍增管）、變溫樣品臺（控溫范圍為77K-500K，精度為±0.1K）、濕度控制裝置（濕度控制范圍為10%-90%RH，精度為±2%RH）和氣體流量控制系統(tǒng)（可精確控制氮氣、氧氣、氫氣等氣體的流量和比例）組成。通過該系統(tǒng)，能夠在不同環(huán)境條件下對二維單層二硫化鎢樣品進行光致發(fā)光光譜測試，獲取準(zhǔn)確的光譜數(shù)據(jù)。5.1.2實驗過程與數(shù)據(jù)采集在實驗過程中，首先將制備好的二維單層二硫化鎢樣品固定在變溫樣品臺上，確保樣品與樣品臺良好接觸，以保證溫度的均勻性和穩(wěn)定性。然后，將樣品放入測試系統(tǒng)的樣品腔中，通過氣體流量控制系統(tǒng)將樣品腔中的氣體置換為高純氮氣，以排除空氣中雜質(zhì)的干擾。在溫度影響實驗中，將樣品溫度從77K開始，以10K的間隔逐步升高到500K，在每個溫度點穩(wěn)定5分鐘后，進行光致發(fā)光光譜測試。測試時，激發(fā)光源照射樣品，發(fā)射光經(jīng)過單色儀分光后，由探測器接收并轉(zhuǎn)換為電信號，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄光致發(fā)光光譜。在濕度影響實驗中，先將樣品溫度固定在300K，通過濕度控制裝置將樣品腔中的濕度從10%RH開始，以10%RH的間隔逐步增加到90%RH，在每個濕度點穩(wěn)定5分鐘后，進行光致發(fā)光光譜測試。測試過程與溫度影響實驗相同。在氣體氛圍影響實驗中，保持樣品溫度為300K，濕度為50%RH，通過氣體流量控制系統(tǒng)依次通入不同比例的氮氣、氧氣和氫氣，形成不同的氣體氛圍。在每種氣體氛圍下穩(wěn)定5分鐘后，進行光致發(fā)光光譜測試。為了確保實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，每個環(huán)境條件下的光致發(fā)光光譜測試均重復(fù)三次，取平均值作為該條件下的光譜數(shù)據(jù)。同時，在每次測試前，對測試系統(tǒng)進行校準(zhǔn)，以消除系統(tǒng)誤差。5.1.3實驗結(jié)果與分析通過實驗得到了二維單層二硫化鎢在不同環(huán)境因素下的光致發(fā)光光譜數(shù)據(jù)。在溫度影響實驗中，隨著溫度的升高，光致發(fā)光光譜的峰值波長發(fā)生明顯紅移。從77K時的620nm左右逐漸紅移至500K時的635nm左右，這與理論分析中溫度升高導(dǎo)致晶格膨脹、帶隙減小的結(jié)果一致。光致發(fā)光強度逐漸降低，在77K時強度較高，而到500K時強度降低了約50%，這是由于溫度升高增加了電子-空穴對的非輻射復(fù)合幾率。在濕度影響實驗中，隨著濕度的增加，光致發(fā)光強度逐漸降低。當(dāng)濕度從10%RH增加到90%RH時，強度降低了約30%。這是因為濕度增加會使樣品表面吸附水分子，水分子與二維單層二硫化鎢之間的相互作用改變了材料的電子結(jié)構(gòu)，增加了非輻射復(fù)合幾率。光致發(fā)光光譜的峰值波長也發(fā)生了微小的紅移，約為2-3nm，這可能是由于水分子的吸附導(dǎo)致材料的局部晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進而影響了帶隙能量。在氣體氛圍影響實驗中，當(dāng)通入氧氣時，光致發(fā)光強度明顯降低，這是因為氧氣分子會吸附在樣品表面，與材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，引入新的缺陷和雜質(zhì)，增加了非輻射復(fù)合幾率。當(dāng)通入氫氣時，光致發(fā)