高压下SnS纳米片的结构及电输运性质研究

论文摘要

在石墨烯被报道其内部含有独特的层状结构以后,具有类似结构的IV-VI族二维层状半导体材料吸引了人们广泛的研究兴趣。硫化亚锡（Sn S）作为IVVI族化合物中极具代表性的半导体材料之一,引发了科学家们的研究热潮。本文选取应用直流电弧等离子体放电方法合成的少层Sn S纳米片作为研究对象,通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）对样品在常压时的结构和形貌进行了表征。通过对其高压原位拉曼光谱（Raman spectroscopy）和高压同步辐射X射线衍射光谱的分析,研究了Sn S纳米片在高压下的结构性质。通过高压原位室温电阻率、高压原位变温电阻率以及高压原位Hall效应的测量,对其在高压下的电输运性质进行了系统的研究。探索压力对Sn S纳米片结构及电输运性质的调控作用。具体的研究成果如下:1、我们通过直流电弧等离子体放电方法成功合成了少层Sn S纳米片。利用SEM和TEM对Sn S纳米片的形貌进行了表征,得知Sn S纳米片样品的平均长度和宽度为400-500nm,平均厚度为20-30nm。利用X射线衍射技术对其常压结构进行了表征,结果表明Sn S纳米片为正交结构具有Pnma对称性的单晶粉末样品。通过对其高压原位拉曼光谱及高压原位同步辐射X射线衍射光谱的分析,发现Sn S纳米片在3.0GPa时发生压致正交结构（Pnma）→正交结构（Cmcm）的二阶连续等结构相变,在13.0GPa时发生由正交结构（Cmcm）→单斜结构（P21/C）的一阶结构相变。2、通过高压原位直流电阻率实验,我们发现在整个压力范围内Sn S纳米片电阻率随压力增加而减小。在3.0GPa和12.0GPa处,Sn S纳米片电阻值均发生不连续变化,我们把两次不连续变化归因于结构相变。值得注意的是,相比于体材料Sn S（相变压力点约为12.6GPa和18.2GPa）,Sn S纳米片两次相变的压力点均提前了,其中第一个相变压力点提前9.6GPa,第二个相转变压力点提前6.2GPa。结构相转变的差异可以归因于Sn S纳米片微观尺寸效应以及其层状形貌所具有的特殊表面和界面结构。卸压后Sn S纳米片电阻率基本恢复到原来的数量级,说明其相变过程是可逆的。过高压原位霍尔效应测量系统研究了压力对Sn S纳米片样品电输运性质的影响。霍尔系数（RH）始终为正值,这表明在整个压力区间内Sn S纳米片中起主要传导作用的载流子是空穴。电输运参数如电阻率、霍尔系数、载流子浓度和载流子迁移率等在3.0GPa和12.4GPa左右都发生了明显的不连续变化,这些变化归因于结构相变。3、通过高压原位变温电阻率测量实验,通过数据分析得出Sn S纳米片在常压到7.0GPa电阻率随温度的升高呈下降趋势,可判断在此压力区间内Sn S纳米片表现为明显的半导体特性。到8.0GPa时,Sn S纳米片的电阻率随着温度的升高呈上升趋势,表现为金属特性。对比霍尔效应测量结果,我们发现该金属或半金属相为“坏金属”,以空穴导电为主。我们给出了半导体Sn S纳米片的激活能随压力的依赖关系来反映其杂质能级随压力变化情况。此外,我们还发现:与Sn S体材料数据对比,Sn S纳米片金属化相变点也提前2.3GPa,在高压下展示出极强的尺度效应。

论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 刘春明

导师: 刘才龙

关键词: 纳米片,高压,结构相变,电输运性质,尺度效应

来源: 吉林大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 物理学,材料科学

单位: 吉林大学

分类号: O521;TB383.1

总页数: 63

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