Nghiên cứu chế tạo vật liệu màng mỏng hai chiều mos2 dạng tấm bằng phương pháp CVD và khảo sát đặc tính cấu trúc của chúng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Vy Anh Vương NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU MÀNG MỎNG HAI CHIỀU MoS2 DẠNG TẤM BẰNG PHƯƠNG PHÁP CVD VÀ KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH CẤU TRÚC CỦA CHÚNG Chuyên ngành: Khoa học Kỹ thuật vật liệu LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Khoa học Kỹ thuật vật liệu Hà Nội – 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Vy Anh Vương NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU MÀNG MỎNG HAI CHIỀU MoS2 DẠNG TẤM BẰNG PHƯƠNG PHÁP CVD VÀ KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH CẤU TRÚC CỦA CHÚNG Chuyên ngành: Khoa học Kỹ thuật vật liệu LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Khoa học Kỹ thuật vật liệu NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS CHỬ MẠNH HƯNG Hà Nội – 2018 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn thạc sĩ cách hoàn chỉnh, bên c ạnh s ự nỗ lực c ố gắng thân cịn có s ự hướng dẫn tận tình c q Thầy Cơ, động viên, ủng hộ c gia đình, anh chị bạn bè suốt thời gian họ c t ập, nghiên c ứu thực hiệ n luận văn thạc sĩ Xin bày t ỏ s ự kính tr ọng lịng bi ết ơn sâu sắc tới thầy TS.Chử Mạnh Hưng – Viện Đào tạo Quố c tế Khoa họ c Vật li ệ u (ITIMS)  trường Đại học Bách khoa Hà Nội Thầy truyền đạt kiế n thức quý báu, tận tình giúp đỡ tạo điều kiện thuận l ợi cho tơi suốt thời gian hồn thành luận văn Xin chân thành cảm ơn Thầy Cô Viện Đào tạo Quố c t ế Khoa học Vật liệ u (ITIMS)  trường Đại học Bách khoa họ c Hà Nội hỗ trợ tạo điều kiện thuận l ợi cho suố t trình họ c t ập, nghiên c ứu thực hiệ n luận văn Cuối cùng, xin gửi l ời c ảm ơn chân thành đến gia đình, anh chị bạn hỗ trợ độ ng viên tinh thần lúc khó khăn để tơi vượt qua hồn thành t ố t luận văn VY ANH VƯƠNG i ITIMS 2016 - 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu c tơi Luận văn khơng có s ự chép tài li ệ u, cơng trình nghiên c ứu c người khác mà không rõ mục tài liệu tham khảo Những kết s ố liệ u luận văn chưa công bố hình thức Tơi hồn tồn chịu trách nhiệm trước nhà trường s ự cam đoan Hà Nội, ngày … tháng … năm 2018 Họ c viên Vy Anh Vương VY ANH VƯƠNG ii ITIMS 2016 - 2018 MỤC LỤC LỜ I C ẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii MỤC L ỤC DANH MỤ C CÁC KÝ HIỆ U VÀ CHỮ VIẾ T TẮ T DANH MỤ C HÌNH VẼ VÀ B ẢNG BIỂU MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN 12 1.1 Kim loại chuyển ti ế p Dichalcogenides 12 1.2 Molybden disulfide (MoS2) 13 1.2.1 Cấ u trúc tinh thể củ a MoS 13 1.2.2 Tính chất điện tử 14 1.3 Các phương pháp tổng hợp MoS 15 1.3.1 Phương pháp bóc tách học 16 1.3.2 Phương pháp thủy nhi ệ t 16 1.3.3 Phương pháp lắng đọng hóa học pha CVD 16 1.4 Vật li ệ u MoS2 cho c ả m bi ến khí 18 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM 20 2.1 Thi ế t bị dụng c ụ hóa ch ất 20 2.1.1 Chu ẩn bị d ụ ng c ụ hóa chất 20 2.1.2 Hệ thi ế t bị CVD 21 2.2 Quy trình chế tạo MoS phương pháp CVD 21 2.2.1 Quy trình chế tạo MoS từ màng Mo bột S 21 2.2.2 Quy trình chế t ạo MoS từ bột MoO bột S 23 VY ANH VƯƠNG ITIMS 2016 - 2018 VY ANH VƯƠNG 58 ITIMS 2016 - 2018 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Sau trình thực hi ệ n luận văn thạc sĩ Viện Đào tạo Quố c t ế Khoa học Vật liệu (ITIMS), trường Đại học Bách Khoa Hà Nộ i, từ kết chế tạo vật liệu MoS2 phương pháp CVD khảo sát đặc tính cấu trúc tính chất vật li ệ u rút mộ t s ố kế t luận sau: - Đã chế tạo thành công vật li ệ u MoS2 phương pháp CVD sử dụng ti ền chất đế Mo/SiO2 /Si t S, vật liệ u MoS2 tạo thành có dạng hạt nano Sử dụng ti ề n chất bột MoO3 bột S Vật liệ u MoS2 tạo thành có dạng nano - Khảo sát đặc tuyến I-V đặc trưng nhạy khí c c ấu trúc c ảm biến chế tạo với loại khí độc Kết thu cho thấy cảm bi ế n khí NO2 dựa s vật liệ u MoS nhạy nhiệt độ phòng c ảm biế n có tính chọn lọc khí NO2 Định hướng nghiên c ứu ti ế p theo: - Biế n tính bề mặt vật li ệ u nhằm nâng cao tính chất nhạy khí cảm biế n - Nghiên c ứu phát tri ể n ứng dụng cảm biến khí sở vật liệ u MoS2 dạng hạt nano nano VY ANH VƯƠNG 59 ITIMS 2016 - 2018 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] A.Splendiani, L Sun, Y Zhang, T Li, J Kim, C Y Chim, G Galliand F Wang “Emerging photoluminescence in monolayer MoS2,” Nano Lett., vol 10, no 4, pp 1271–1275, 2010 [2] A Zobel, A Boson, P M Wilson, D S Muratov, D V Kuznetsov, and A Sinitskii, “Chemical vapour deposition and characterization of uniform bilayer and trilayer MoS2 crystals,” J Mater Chem C, vol 4, no 47, pp 11081 – 11087, 2016 [3] B Cho, M G Hahm, M Choi, J Yoon, A Kim, Y Lee, S G Park, J D Kwon, C S Kim, M Song, Y Jeong, K S Nam, S Lee, T J Yoo, C G Kang, B H Lee, H C Ko, P M Ajayan & D H Kim., “Charge-transfer-based gas sensing using atomic-layer MoS2,” Sci Rep., vol 5, no 2, p 8052, 2015 [4] B C Windom, W G Sawyer, and D W Hahn, “A Raman Spectroscopic Study of MoS2 and MoO3: Applications to Tribological Systems,” Tribol Lett., vol 42, no 3, pp 301 – 310, 2011 [5] B Lu Ma, “Synthesis and Characterization of Large Area Few-layer MoS2 and WS2 Films.” pp 1–106, 2014 [6] B Li, L Jiang, X Li, P Ran, P Zuo, A Wang , Liangti Qu2, Yang Zhao2, Zhihua Cheng2 & Yongfeng Lu3 Zero-dimensional “Preparation of Monolayer MoS2 Quantum Dots using Temporally Shaped Femtosecond Laser Ablation of Bulk MoS2 Targets in Water,” Sci Rep., vol 7, no 1, p 11182, 2017 [7] B Radisavljevic, A Radenovic, J Brivio, V Giacometti, and A Kis, “Single layer MoS2 transistors,” Nat Nanotechnol., vol 6, no 3, pp 147 – 150, 2011 [8] D Jariwala, V K Sangwan, L J Lauhon, T J Marks, and M C Hersam, “Emerging Device Applications for Semiconducting Two-Dimensional Transition Metal Dichalgogenides,” ACS nano, vol 8, no p 1102, 2014 [9] D J Late et al., “Sensing behavior of atomically thin-layered MoS2 transistors,” ACS Nano, vol 7, no pp 4879 – 4891, 2013 [10] D Zhang, J Wu, P Li, and Y Cao, “Room-temperature SO gas-sensing properties based on a metal-doped MoS2nanoflower: An experimental and density VY ANH VƯƠNG 60 ITIMS 2016 - 2018 functional theory investigation,” J Mater Chem A, vol 5, no 39, pp 20666 – 20677, 2017 [11] D Wu , H Huang, X Zhu, Y He, Q Xie, X Chen, X Zheng, H Duan and Y.Gao, “E’’ Raman Mode in Thermal Strain-Fractured CVD-MoS 2,” Crystals, vol 6, no 11, p 151, 2016 [12] G Deokar, N S Rajput, J Li, F L Deepak, W Ou-Yang, N Reckinger, C Bittencourt, J F Colomer and M Jouiad “Toward the use of CVD-grown MoS2 nanosheets as field-emission source,” Beilstein J Nanotechnol., vol 9, no 1, pp 1686–1694, 2018 [13 ] H Li , Q.Zhang , C C R Yap , B K Tay , * T H T Edwin , A Olivier , and D Baillargeat “From bulk to monolayer MoS2 : Evolution of Raman scattering,” Adv Funct Mater., vol 22, no 7, pp 1385 – 1390, 2012 [14] H Zeng and X Cui, “An optical spectroscopic study on two-dimensional groupVI transition metal dichalcogenides,” Chem Soc Rev., vol 44, no 9, pp 2629 –2642, 2015 [15] H Wang, L Yu, Y H Lee, Y Shi, A Hsu, M L Chin, L J Li, M Dubey, J Kong, and T Palacios, “Integrated circuits based on bilayer MoS2 transistors,” Nano Lett., vol 12, no 9, pp 4674 – 4680, 2012 [16] Bilgin, I Liu, F Vargas, A.Winchester, A M Michael, K L Upmanyu, M Dani, K M Gupta, G Talapatra, S.t Mohite, A D Kar, Swastik “Chemical Vapor Deposition Synthesized Atomically Thin Molybdenum Disulfide with Optoelectronic-Grade Crystalline Quality,” ACS Nano, vol 9, no pp 8822 – 8832, 2015 [17] I Song, C Park, and H C Choi, “Synthesis and properties of molybdenum disulphide: From bulk to atomic layers,” RSC Adv., vol 5, no 10, pp 7495 – 7514, 2015 [18] Gusakova, J Wang, X Shiau, L L Krivosheeva, A Shaposhnikov, V Borisenko, V Gusakov, V Tay, B Kang “Electronic Properties of Bulk and Monolayer TMDs: Theoretical Study Within DFT Framework (GVJ-2e Method),” VY ANH VƯƠNG 61 ITIMS 2016 - 2018 Physica Status Solidi (A) Applications and Materials Science , vol 214, no 12 2017 [19] J H and S R Changgu Lee, Hugen Yan, Louis E Brus, Tony F Heinz, “Anomalous Lattice Vibrations ofSingle- and Few-Layer MoS2 ” [20] J Jang, S K Jeon, S M Yoo, G Jang, Y H Park, J H Lee, Sungjoo “Layercontrolled CVD growth of large-area two-dimensional MoS2 films,” Nanoscale, vol 7, no 5, pp 1688– 1695, 2015 [21] J K Ellis, M J Lucero, and G E Scuseria, “The indirect to direct band gap transition in multilayered MoS2as predicted by screened hybrid density functional theory,” Appl Phys Lett., vol 99, no 26, 2011 [22] K F Mak, C Lee, J Hone, J Shan, and T F Heinz, “Atomically thin MoS 2: A new direct-gap semiconductor,” Physical Review Letters, vol 105, no 13 2010 [23] K Grzeszczyk, M Korona, K.P Bożek, R Binder, J Szczytko, J Wysmołek, A Babiński, “Optical Properties of Molybdenum Disulfide (MoS 2),” Acta Phys Pol A, vol 124, no 5, pp 849 – 851, 2013 [24] K S Novoselov and A H Castro Neto, “Two-dimensional crystals-based heterostructures: Materials with tailored properties,” Phys Scr., no T146, 2012 [25] L Tian, E Fathi, R S Tarighat, and S Sivoththaman, “Nanocrystalline silicon deposition at high rate and low temperature from pure silane in a modified ICP-CVD system,” Semicond Sci Technol., vol 28, no 10, 2013 [26] L V Thong, L T N Loan, and N Van Hieu, “Comparative study of gas sensor performance of SnO2 nanowires and their hierarchical nanostructures,” Sensors Actuators, B Chem., vol 150, no 1, pp 112 – 119, 2010 [27] L Xie, C Jin, J Ali, R Feng, C.Liu, P Xiang, K Bin “Properties, Preparation and Applications of Low Dimensional Transition Metal Dichalcogenides,” Nanomaterials, vol 8, no 7, p 463, 2018 [28] M Su, S H Chang, J K Tsai, D S Chen, C H Wu, I Li, L J He, J Hau , “Monolayer MoS heterojunction solar cells,” ACS Nano, vol 8, no 8, pp 8317– 8322, 2014 [29] M Ye, D Winslow, D Zhang, R Pandey, and Y Yap, “Recent Advancement VY ANH VƯƠNG 62 ITIMS 2016 - 2018 on the Optical Properties of Two-Dimensional Molybdenum Disulfide (MoS2) Thin Films,” Photonics, vol 2, no pp 288 – 307, 2015 [30] N Choudhary, M D Patel, J Park, B Sirota, and W Choi, “Synthesis of large scale MoS2 for electronics and energy applications,” J Mater Res., vol 31, no 7, pp 824–831, 2016 [31] N B Thakare, F C Raghuwanshi, V S Kalyamwar, and Y S Tamgadge, “High performance NO2 sensor using MoS nanowires network,” Appl Phys Lett., vol 4, p 30020, 1953 [32] N Goel, R Kumar, and M Kumar, “Enhanced sensing response with complete recovery of MoS2 sensor under photoexcitation,” AIP Conf Proc., vol 1942, pp 1– 5, 2018 [33] Q H Wang, M Kalantar , Zadeh, A Kis, N Coleman, “Electronics and optoelectronics of two-dimensional transition metal dichalcogenides.” [34] Q Peng and S De, “Outstanding mechanical properties of monolayer MoS and its application in elastic energy storage,” Phys Chem Chem Phys., vol 15, no 44, p 19427, 2013 [35] Q Ji, Y Zheng, Y Zhang, and Z Liu, “Chemical vapour deposition of groupVIB metal dichalcogenide monolayers: Engineered substrates from amorphous to single crystalline,” Chem Soc Rev., vol 44, no 9, pp 2587 – 2602, 2015 [36] R Kappera, “Electronic Properties and Phase Engineering of TWODIMENSIONAL MoS2 ,” The State University of New Jersey 2015 Sun Jun Kim ,Hyong Seo Yoon1, Hang-Eun Joe, Hee Sung Lee, Seongil Im, Byung [37] Kwon Min & Seong Chan Jun., “Layer dependence and gas molecule absorption property in MoS2 Schottky diode with asymmetric metal contacts,” Sci Rep., vol 5, no May, pp – 10, 2015 [38] R Ganatra and Q Zhang, “Few-Layer MoS2 : A Promising Layered Semiconductor,” ACS Nano, vol 8, no 5, pp 4074 – 4099, 2014 [39] S Muralikrishna, K Manjunath, D Samrat, V Reddy, T Ramakrishnappa, and D H Nagaraju, “Hydrothermal synthesis of 2D MoS2 nanosheets for electrocatalytic VY ANH VƯƠNG 63 ITIMS 2016 - 2018 hydrogen evolution reaction,” RSC Advances, vol 5, no 109 pp 89389 – 89396, 2015 [40] S S Wang, M Pacios, H Bhaskaran, and J H Warner, “Substrate control for large area continuous films of monolayer MoS2 by atmospheric pressure chemical vapor deposition,” Nanotechnology, vol 27, no p 8, 2016 [41] S.Vangelista, S.Cinquanta, E.Martella, C Alia, M.Longo, M Lamperti, A Mantovan, R Basset, B Pezzoli, F.Molle, Alessandro , “Towards a uniform and large-scale deposition of MoS nanosheets via sulfurization of ultra-thin Mo-based solid films,” Nanotechnology, vol 27, no 17, p 0, 2016 [42] S Xu, D Li, and P Wu, “One-pot, facile, and versatile synthesis of monolayer MoS2 /WS2 quantum dots as bioimaging probes and efficient electrocatalysts for hydrogen evolution reaction,” Adv Funct Mater., vol 25, no 7, pp 1127 – 1136, 2015 [43] T Stephenson, Z Li, B Olsen, and D Mitlin, “Lithium ion battery applications of molybdenum disulfide (MoS ) nanocomposites,” Energy Environ Sci., vol 7, no 1, pp 209 – 231, 2014 [44] U Gupta and C N R Rao, “Hydrogen generation by water splitting using MoS2 and other transition metal dichalcogenides,” Nano Energy, vol 41, no August, pp 49–65, 2017 [45] V Podzorov, M E Gershenson, C Kloc, R Zeis, and E Bucher, “Highmobility field-effect transistors based on transition metal dichalcogenides,” Appl Phys Lett., vol 84 pp 3301 – 3303, 2004 [46] X L Li and Y D Li, “Formation of MoS2 inorganic fullerenes (IFs) by the reaction of MoO3 nanobelts and S,” Chem - A Eur J., vol 9, no 12, pp 2726 – 2731, 2003 [47] Y Y Wen, X B Zeng, X X Chen, W Z Wang, J Ding, and S E Xu, “Synthesis of monolayer MoS by CVD approach,” 2nd Annu Int Conf Adv Mater Eng (AME 2016), no AME 2016, pp 1034 – 1039, 2016 [48] Y Wang and Y Ni, “Molybdenum disulfide quantum dots as a VY ANH VƯƠNG 64 ITIMS 2016 - 2018 photoluminescence sensing platform for 2, 4, 6-trinitrophenol detection,” Analytical chemistry, vol 86, no 15 pp 7463 –7470, 2014 [49] Y Zhan, Z Liu, S Najmaei, P M Ajayan, and J Lou, “Large-area vapor-phase growth and characterization of MoS2 atomic layers on a SiO substrate,” Small, vol 8, no 7, pp 966 – 971, 2012 [50] W C Nitin Choudhary, Juhong Park, Jun Yeon Hwang, “Growth of Large Scale and Thickness-Modulated MoS Nanosheets,” 2014 VY ANH VƯƠNG 65 ITIMS 2016 - 2018 ... VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Vy Anh Vương NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU MÀNG MỎNG HAI CHIỀU MoS2 DẠNG TẤM BẰNG PHƯƠNG PHÁP CVD VÀ KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH CẤU TRÚC CỦA... u chung vật liệ u TMDs, vật li ệ u hai chi ề u MoS2 : cấu trúc tính chất c MoS2, phương pháp chế tạo MoS2, phương pháp khảo sát tính chất nhạy khí vật liệ u MoS2 Chương 2: Các phương pháp thực... ệm chế t ạo vật li ệ u dạng nano màng mỏ ng MoS2 phương pháp CVD Các phương pháp nghiên cứu hình thái cấu trúc bề mặt vật liệ u, cấu trúc tinh thể, đặc tính dao động tinh thể vật li ệ u, khảo sát