摘要
二维(2D)材料自被发现以来，由于其展现出的卓越光电特性，迅速引起了众多科学领域的广泛关注和深入研究。其中，二维半导体材料凭借自身具有独特的电子结构和超高的比表面积，在实现高性能的光电器件研究中具有显著优势，使其有希望成为各种光电子器件的理想候选材料，拥有广阔的应用前景。 材料的物理性质通常由其晶体结构和类型所决定。高压作为一种干净、无需掺杂的手段，通过改变原子间距和键合模式影响材料本身的结构稳定性，进而对材料的性质进行调控，并引发了一系列新奇的物理现象，如结构相变、电子相变、金属化等，促进了材料在众多领域应用的可能性。深入研究二维半导体材料在高压下的行为，可以为理解其物理机制提供关键信息和重要参考价值,对于开发新材料而言至关重要。通过对在光电探测、光催化等领域具有巨大应用潜力的PbI2、g-C3N4、石墨烯进行高压手段的处理，可能会进一步优化其晶体结构和电子结构，突破这类材料目前在应用上的局限性，从而提升这类材料的应用价值。本文系统研究了以PbI2、g-C3N4、石墨烯为代表的二维半导体材料在高压下的结构特征和物理性能，在对材料在高压下结构的认识和理解、光电探测器的性能提升和响应范围的扩展、半金属材料的设计、带隙调控等方面取得了一定的进展，获得了一些全新的认识，这对于二维半导体材料在光电探测及光催化方向的应用和发展具有一定的指导意义。全文的研究内容如下: (1)利用原位拉曼光谱和XRD谱图系统研究了2H-PbI2在高压下的结构相变。拉曼光谱的结果表明，PbI2在0.58GPa和2.6GPa分别发生了结构相变。XRD图谱进一步阐释了PbI2在20GPa以下结构相变过程为二维的六方2H-P(3)m1→多型4H-P3m1→三维正交Pnma。高压下的电输运结果揭示了PbI2的半导体-金属转变。在大约24.8GPa和37.6GPa时，超快光谱的压力依赖性关系出现了两处不连续扭结。拉曼光谱和XRD证实了PbI2在第一个不连续处发生了从正交Pnma到四方I4/mmm对称的结构相变。第二个不连续源于带隙的闭合以及半导体-金属过渡中电子-声子相互作用的增强，这也进一步被PbI2在压力下电阻的温度依赖性关系证明。对压力诱导PbI2在高压下的光电流测量结果显示，可见光照射下的光电流在大约27GPa时突然增加，最终比初始状态提升近两个数量级;同时，响应波段范围从可见光波段扩展到至少大于波长1550nm的红外光区域。高压吸收光谱表明，PbI2的带隙在相变点附近发生闭合，而电荷输运的结果显示样品仍然是非金属状态。理论计算的结果表明，光电流的突增和红外波段的响应源于高压下半导体-半金属相变。 (2)研究了引入氮空位/缺陷的g-C3N4压力诱导的非晶化行为。氮空位的引入导致样品的带隙初始带隙为2.40eV,高压下进一步缩小到1.70eV，卸压回环境压力时带隙值依然保留在1.87eV。同时，施加最高压力越大，退回常压的带隙值越小，实现了对样品带隙的可调控性。原位同步X射线衍射和拉曼光谱的证据表明，g-C3N4带隙的可调控性源于不可逆的压力诱导的非晶化，并因此实现了在高压下光电流性能近50％的增强。 （3）研究了多层石墨烯材料在高压下的结构、电荷输运以及光电流响应行为。实验结果表明，当压力升至39.5GPa时，多层石墨烯在可见光波段和红外波段入射激光的照射下都出现了光电流响应，同时，随着压力的增加，光电流值不断减小，直至52.9GPa时无法被探测到。初步的实验结果表明了高压下压力诱导石墨烯层间形成sp3键的形成导致带隙的打开。
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