范德瓦尔斯异质结界面效应的研究性实验教学设计_刘萍.pdf

第 36 卷第 1 期大学物理实验Vol36 No12023 年 2 月PHYSICAL EXPEIMENT OF COLLEGEFeb2023收稿日期:2022-10-10基金项目:国家自然科学基金青年科学基金项目(12104235)*通讯联系人文章编号:1007-2934(2023)01-0063-04范德瓦尔斯异质结界面效应的研究性实验教学设计刘萍*，毛巍威(南京邮电大学 理学院，江苏 南京210023)摘要:为培养创新型人才，设计了内容为“范德瓦尔斯异质结的制备和界面效应研究”的研究性实验。采用干法转移制备了二维异质结 MoS2/WTe2，通过拉曼光谱对异质结进行了表征，利用光致发光光谱的手段探究了异质结界面耦合效应及机理。将学术研究与实验内容相融合可提高实验的趣味性和探究性，充分锻炼了学生的综合实践能力、创新思维和团队协作意识。关键词:研究性实验;科研引导;范德瓦尔斯异质结;界面效应中图分类号:G 642文献标志码:ADOI:1014139/jcnkicn22-1228202301013大学物理实验 投稿网址:http:/dawushiyanjlicteducn大学物理实验是高校理工科类学生的一门重要基础课，是实现立德树人和培养学生实践能力、创新能力的重要载体。而基础物理实验课程多为验证性实验，学生按部就班地完成实验操作，存在参与度不高和探究性不强的问题，这种较为枯燥的教学模式已无法完全满足当前创新性人才的培养目标。因此，为了充分发挥物理实验教学在培养具有创新精神、科学素养的复合型人才的突出优势，需大力开展以科研课题为引导的研究性实验教学1-3。科研引导型的研究性实验就是结合当前研究领域的科学热点问题，将最新的研究成果融合到本科生实验教学中，设计出具有探索性的研究性综合实验，让本科生系统地体验科研过程，培养学生的科研素养和创新研究能力4。本文基于从科研项目中提炼的研究性实验“范德瓦尔斯异质结界面效应研究”为例，阐述科研引导型研究性实验教学的设计与实践。1实验教学设计背景以 2004 年石墨烯的发现为开端，二维材料成为十几年来材料科学和凝聚态物理领域最重要的研究热点之一5。二维层状材料指的是单层或者少层的纳米材料，其前驱体具有三维结构，在每一层内，层内原子通过结合力很强的共价键或离子键结合而成，而层与层之间依靠薄弱的范德瓦斯力结合。这种微弱的相互作用力可以通过外力轻易打破从而获得单层或者少层的二维材料6。二维材料家族具有丰富的晶体结构和物理特性，涵盖了超导、金属到绝缘体的不同电学和光电特性，具有不同于体相材料的电子结构、比表面积、量子效应等新奇的性质，同时拥有表面无悬挂键、优异的机械柔韧性等，在电子/光电子、能源等众多领域具有广泛的应用。此外，无需考虑晶格失配的问题，不同特性的二维材料可以像搭积木一样随意堆叠组合形成范德瓦尔斯异质结，可以带来更多新奇的物理效应和应用，这主要得益于异质结界面处的相互作用或耦合机制7。将二维范德瓦尔斯异质结界面效应这一前沿可课题融入到研究性实验教学中，可以把最新科研成果补充到传统实验内容中，有助于学生扩展凝聚态物理和材料科学专业知识，使实验教学课堂具有前沿性和挑战性。2实验方法21试剂和仪器3M 胶带，镊子，MoS2单晶，WTe2单晶，光学显微镜，1 cm 1 cm 硅片，聚二甲基硅氧烷膜(PDMS)，拉曼光谱仪。22实验操作(1)单层 MoS2的制备:剪切一段 3M 胶带，将所要剥离的二维材料单晶块体材料(以 MoS2为例)放置于透明胶带上，不断地对折胶带，反复黏贴剥离该块体材料，使其变为较薄的层状薄片，将胶带与目标基底硅片(SiO2/Si)贴合，使得剥离后的 MoS2粘附于衬底上，在光学显微镜下寻找到单层的 MoS2并做好位置标记。(2)采用同样的方法剥离 WTe2单晶，将获得的二维 WTe2黏附于 PDMS 膜上。取载玻片并使用乙醇溶液擦拭干净，剪切合适大小的 PDMS 膜，将其粘贴在载玻片中间。将经过反复剥离后具有大量二维 WTe2的胶带贴于 PDMS 衬底上，在显微镜下找到薄层 WTe2并做好位置标记。图 1基于 PDMS 辅助的干法转移制备异质结示意图(3)如图 1 所示，将含有单层 MoS2的硅片衬底放置于二维材料转移平台，并打开真空泵吸住衬底。将载玻片固定在转移平台的机械操控台上，其中载玻片粘贴 PDMS 的一面正对着硅片衬底，机械台可以在三维方向上移动载玻片。在显微镜的帮助下，分别先聚焦寻找到目标样品 MoS2和 WTe2。利用显微镜的精准定位，通过操纵转移平台，当 PDMS 上 WTe2与硅片上 MoS2两者对准后，缓慢降低载玻片的高度使得两种二维材料紧密结合。紧接着，缓慢抬起 PDMS，使二维 WTe2与 PDMS 脱离并覆盖在 MoS2上，形成 MoS2/WTe2异质结。光学测试:在光学显微镜的帮助下找到目标样品，将激光打到样品上，使用波长为 532 nm 的激光，分别选择拉曼模块和光致发光模块测试目标样品的拉曼光谱和荧光光谱。3实验结果与讨论利用 PDMS 辅助的干法转移技术，成功地在SiO2/Si 衬底上制备了二维半导体/金属异质结MoS2/WTe2。图 2 显示 MoS2/WTe2异质结的光学图像，其中蓝色虚线框表示 MoS2，红色虚线框表示薄层 1T-WTe2。图 3(a)展示了异质结 MoS2/WTe2、单层 MoS2、WTe2区域的拉曼光谱。在MoS2拉曼光谱中，位于 385 和 405 cm1处的特征峰分别代表了 MoS2面内振动模式 E12g和面外振动模式模式 A1g。图 2MoS2/WTe2异质结的光学图片图中显示薄层 WTe2有明显的 4 个拉曼峰，分别位于 836、1178、160、2103 cm1。这几个拉曼振动模式是金属 1T 相 WTe2的特征拉曼峰位8。频率为 160 和 2103 cm1对应的是 WTe2层间振动模式，而其他的特征峰则是层内振动模式。在 MoS2/WTe2异质结区域采集得到的拉曼光谱则是两个二维材料拉曼特征峰的叠加，证实了异质结的形成。图 3(b)显示了 MoS2/WTe2、单层 MoS2区域的荧光光谱，WTe2因金属性所以没有显示出半导体的光致发光特性。从荧光谱中可以看出单层MoS2具有强光致发光特性，在 660 nm 和 627 nm处可以识别出两个显著的荧光峰，这两个荧光峰源于在布里渊区 K 点的直接跃迁，分别被称为 A和 B 激子，这与文献报道一致9。而单层 MoS2与 WTe2形成异质结后，MoS2的荧光峰强度大大增强，并且其峰位展现出一定的红移。46大学物理实验2023 年aman shift/cm1Wavelength/nm图 3(a)MoS2，WTe2和 MoS2/WTe2拉曼光谱;(b)MoS2和 MoS2/WTe2荧光光谱为了解释荧光的变化，对单层 MoS2和异质结的荧光光谱进行了洛伦兹拟合，结果如图 4(a)所示。单层 MoS2的荧光峰 A 可以拟合为峰位为656 nm(189 eV)的中性激子峰(Exciton，A0)和峰位在 672 nm(1 85 eV)的带电激子峰(Trion，A!)9。而与 WTe2形成异质结后，通过拟合的数据分析可知，其荧光光谱中带电激子峰的强度相比于单一的 MoS2有所增加，带电激子峰与中性激子峰的强度之比从 1 增加到 33，并且其峰位朝着低能量的方向红移。Wavelength/nm图 4(a)MoS2和 MoS2/WTe2异质结的荧光光谱拟合;(b)MoS2/WTe2异质结界面处的能带示意图该异质结界面耦合效应对 MoS2荧光调控机理可以通过图 4(b)来进行解释。单层 MoS2的功函数为515 eV 10，而 WTe2的功函数为 44 eV 11，由于两者之间功函数的差异，在形成异质结后会产生能带弯曲效应，导致在界面处会发生电荷转移行为。WTe2中的电子转移到 MoS2的导带中，MoS2中的电子浓度增加，促进更多的电子与中性激子结合形成带负电的带电激子 A!，因此带电激子峰权重增加，即带电激子态发光(A峰)的强度出现明显的增强，本征激子峰 A0的强度减弱，样品的发光由原来的中性激子占主要部分转为带电激子占主要部分，促使总的荧光峰位发生红移和强度增强11，12。4实验教学设计与实施效果该研究性实验的教学设计坚持“以学生为中心”的教学理念，发挥学生在整个实验中课题调研、实验操作、结果分析与展示这三个环节的学习主体性。学生首先在指导老师的引导下学会搜索科研文献和查阅资料来完成课题调研，了解课题的研究背景和进展，学习掌握实验方法的基本原理与操作步骤。然后在开放时间段，学生充分发挥主观能动性，独立进行实验操作，完成二维范德瓦尔斯异质结样品的制备，并学习使用拉曼光谱仪进行光学物性测量。最后学习科研软件进行数据的处理和拟合分析，分组讨论总结实验结果，采用科技论文和实验成果 PPT 展示来代替传统的56第 1 期刘萍，等:范德瓦尔斯异质结界面效应的研究性实验教学设计实验报告。在完成此基础实验的条件下，可以引导学生再继续开展拓展性实验，尝试进行不同的二维材料堆叠或者不同扭转角度堆垛的异质结，研究异质结的光学和电学特性等。学生在研究性实验中通过文献资料查阅锻炼了信息搜索能力，在实验操作阶段锻炼了动手能力、发现问题及解决问题的能力，并学会了利用科研软件 Origin 进行数据处理和拟合分析，在论文撰写和 PPT 展示汇报有效地提升了综合表达能力，在小组分工合作中锻炼了团结协作的能力，为以后申请大学生创新创业计划、科研训练项目或攻读研究生等打下坚实的科研基础。5结语实验设计通过基于 PDMS 辅助的干法转移制备了 MoS2/WTe2异质结，实验结果表明 MoS2和WTe2存在明显的层间耦合相互作用，电子从 WTe2向 MoS2转移，影响了荧光峰的位置和发光强度。该实验将当前研究热点创新性地转化为本科生物理实验教学内容，加深了对二维范德瓦尔斯异质结这一新领域的认识和理解。这种践行“科教融合”理念的新实验教学模式可显著提高实验教学效果，通过教师引导、学生自主学习，学生进行了一次完整的科研训练，激发了学生对科学研究的兴趣，有利于全面提升学生的综合素质和创新能力，为培养创新型、复合型人才进行了有益的探索。参考文献:1 扈旻，邓北星，马晓红，等科研成果转化为实验教学内容的探索与实践J 实验技术与管理，2012，29(10):21-23 2 王忠辉，范浩军科研实验转化为综合教学实验的探索 J 实验技术与管理，2018，35(4):189-191 3 陈星辉，周昕，李雪勇研究型近代物理实验教学模式探索与实践 磁控溅射法氧化锌薄膜的制备及其特性研究J 大学物理实验，2020，33(4):90-94 4 林跃强，刘晓东，李建科研成果转化为实验教学内容之探索J 实验室研究与探索，2015，34(5):144-146 5 张广宇，龙根，林生晃，等二维材料:从基础到应用 J 中国科学院院刊，2022，37(3):368-374 6 付磊二维材料:潜力无限的材料家族J 科学通报，2017，62(20):2157 7 吴燕飞，朱梦媛，赵瑞杰，等二维范德瓦尔斯异质结构的 制 备 与 物 性 研 究J 物 理 学 报，2022，71:048502 8 李东飞，张可为，里佐威，等高压下 TdWTe2单晶体材料的拉曼光谱研究J 高压物理学报，2016，30(5):369-374 9 王亚丽，林梓愿，柴扬，等单层 MoS2的电调制荧光光谱特性 J 光子学报，2016，45(7):89-94 10 CHOI S，SHAOLINZ，YANGW Layer-number-dependent work function of MoS2nanoflakesJ JKorean PhysSoc，2014，64(10):1550-1555 11 LEE K，LI J，CHENG L，et alSub-picosecond carrierdynamics inducedbyefficientchargetransferin