一种二维材料横向异质结、制备及其应用制造技术

本发明专利技术公开了一种二维材料横向异质结的制备方法，包括以下步骤：步骤(a)：以材料A粉末为原料，在基底表面进行气相沉积，形成材料A的纳米片；步骤(b)：将材料B1的粉末在逆向载气气流下加热至生长温度，随后再在正向载气气流下使B1沿材料A的纳米片外沿横向生长，生长完成后再通入逆向载气气流，制得二维材料横向异质结A‑B1。本发明专利技术还提供了所述的制备方法制得的二维材料横向异质结及其在制备光电学器件中的应用。本发明专利技术制备的相关异质结具有原子层级光滑，异质结界线陡峭且平整，几乎没有掺杂，材料光学、电学性能优异；该方法极大地简化了二维材料横向异质结的制备方法，材料制备的可控性以及制备效率方面得到极大提升。

【技术实现步骤摘要】
一种二维材料横向异质结、制备及其应用
本专利技术属于纳米材料领域，涉及二维材料横向异质结及其超晶格的制备方法。技术背景二维材料领域最先由2004年石墨烯的发现而引发研究热潮，但是由于石墨烯特殊的零带隙能带结构，使其在电子和光电子领域受到了极大限制，例如石墨烯场效应管开关比非常小，使其在逻辑电路中的使用受限。而B.Radisavljevic等人采用单层MoS2制备的场效应晶体管开关比高达到108，极具应用前景，以单层MoS2为代表的新型二维材料引发了极大关注[1]。TMDs等层状材料与石墨一样具有同样的层状结构特征，层内原子以强的共价键或者离子键结合，层间以弱的范德华力结合，层状材料的结构特征使得单个原子层或者少数原子层可能单独存在，这些以2D-TMDs为代表的新二维材料一般具有依赖于材料层数的电子和光电子性质。要充分实现这些层状半导体材料在电子和光电子领域的应用，需要精确这些二维原子晶体的化学成分、结构、和电子性质的空间分布，这与硅为代表的传统半导体材料在传统电子领域中是类似的。在传统电子工业中异质结，定义了现代电子和光电子器件的基本结构，如p-n结二极管，光伏器件，光电检测器，发光二级管，激光二极管等，2D-TMDs等二维材料横向异质结的制备对于相关二维材料在电子领域中成功应用，并发挥它们的优势是至关重要的[2]。二维层状材料异质结作为原子级薄的半导体异质结，具有诸多重大的科学意义以及应用价值，极具研究前景。目前对于二维材料垂直向异质结的性质进行了较为广泛的研究，然而对于横向异质结的研究由于工艺条件苛刻，致使研究进展缓慢[2，4，5]。当前已经有多种二维横向异质结被制备，主要包括石墨烯-氮化硼横向异质结、TMDCs系列的横向异质结等，二维横向异质结的制备方法包括分步合成，和一次性合成以及原位改变气相反应物的技术等，但是由于合成过程中生长气压、温度、生长时间等需要严格控制，往往会出现高掺杂、界面不平整，出现较宽的合金区域、制备效率低下等问题，造成目前二维材料横向异质结制备难度很大[3]。目前多横向异质结的制备并没有实现，而二维材料超晶格结构主要采用刻蚀工艺辅助加工，加工难度大，且经加工再生长的异质结构较难保持其洁净程度。因此，该领域存在诸多的挑战需要解决。二维层状材料异质结作为原子级薄的半导体异质结，具有诸多重大的科学意义以及应用价值，极具研究前景[2]。参考文献[1].GeimAK，GrigorievaIV.VanderWaalsheterostructures.Nature.499，419-425(2013).[2].LiuY，WeissNO，DuanX，etal.VanderWaalsheterostructuresanddevices[J].NatureReviewsMaterials，2016，1：16042.[3].DuanX，etal.Lateralepitaxialgrowthoftwo-dimensionallayeredsemiconductorheterojunctions.NatNano.9，1024-1030(2014).[4].LiM-Y，eta广EpitaxialgrowthofamonolayerWSe2-MoS2lateralp-njunctionwithanatomicallysharpinterface.Science.349，524-528(2015).[5].HuangC，etal.LateralheterojunctionswithinmonolayerMoSe2-WSe2semiconductors.NatMater.13，1096-1101(2014).
技术实现思路
为克服现有异质结制备方法普遍存在两种异质结材料之间的高掺杂、制备效率低下、界面合金区域过宽等问题，本专利技术提供了一种二维材料横向异质结的制备方法，旨在改良现有的二维材料异质结制备方法，使能够获得原子层级光滑性、界线陡峭、平整以及低掺杂的二维材料横向异质结，并实现高效制备，同时实现二维超晶格的制备，解决目前不能简单靠生长获得超晶格的难题。一种二维材料横向异质结的制备方法，包括以下步骤：步骤(a)：以材料A粉末为原料，在基底表面进行气相沉积，形成材料A的纳米片；步骤(b)：将材料B1的粉末在逆向载气气流下加热至生长温度，随后再在正向载气气流下使B1沿材料A的纳米片外沿横向生长，生长完成后再通入逆向载气气流，制得二维材料横向异质结A-B1；所述的逆向指由基底吹向原料粉末的方向；所述的正向指由原料粉末吹向基底的方向；所述的材料A和材料B1独自选自过渡金属硫族化合物、金属卤化物、过渡金属卤氧化物、金属碳化物或金属氮化物，且A≠B1。本专利技术独创性地在二维材料原料粉末升温阶段通入逆向气流，当达到二维材料原料粉末的生长温度后，再变换载气流向，使二维材料原料沉积在基底上，通过在制备过程中采取升温阶段通入冷却气流的方法，解决了生长过程中第一种材料易于受热毁损的难题(也即是，通过所述的方法可明显解决在沉积下一种二维材料过程中，损害基底上已沉积的二维材料)，极大提升了二维材料制备的可控性以及效率。本专利技术通过在材料粉末升温至成长温度后变换气流方向的方法，可稳定基底上已有生长的二维材料，此外，通过所述的制备方法可以连续外延二维材料，可有效解决二维材料横向外延过程中界线处成核难以控制的难题，实现了界线处的原子级平整，该制备方法具有操作过程简单，实验重复性好等优势。序列生长和生长条件稳定化过程中通入反向气流以稳定已经生长的二维材料。作为优选，以Bi粉末为原料，重复i-1次步骤(b)，在带有Bi-1的二维横向异质结材料外沿横向生长Bi，得到结构为A-B1-B2-……Bi的成品；所述i为大于等于2的整数；所述Bi粉末选自过渡金属硫族化合物、金属卤化物、过渡金属卤氧化物、金属碳化物或金属氮化物；且Bi≠Bi-1。本专利技术中，可通过变换二维材料的原料，重复进行步骤(b)，不断在制得的横向异质结外沿横向延伸二维材料；制得具有三层及以上的横向复合的多种异质结的产物。作为优选，所述的A-B1-B2-……Bi的成品中，相间隔层的材料相同。该类由两种原料沿外沿交替延伸生长、该材料具有二维材料超晶格结构。作为优选，i为2或3。例如i为2时，采用B2原料粉末替换步骤(b)的B1原料粉末，重复进行步骤(b)，制得二维材料横向异质结A-B1-B2。所述的A、B1、B2独自选自过渡金属硫族化合物、金属卤化物、过渡金属卤氧化物、金属碳化物或金属氮化物；且B2≠B1；B1≠A。再如i为3时，采用不同物料重复进行步骤(b)两次(i-1次)，也即是：采用B2原料粉末替换步骤(b)的B1原料粉末，重复进行步骤(b)，制得二维材料横向异质结A-B1-B2；随后再采用B3原料在A-B1-B2的外延横向生长B3；制得二维材料横向异质结A-B1-B2-B3。所述的A、B1、B2、B3独自选自过渡金属硫族化合物、金属卤化物、过渡金属卤氧化物、金属碳化物或金属氮化物；且B3≠B2；B2≠B1；B1≠A。所述的二维材料横向异质结A-B1-B2-B3中，当A＝B2、且B2＝B3时，该异质结具有超晶格结构。作为优选，所述的材料A选自WS2或WSe2。作为优选，所述的材料本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种二维材料横向异质结的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤(a)：以材料A粉末为原料，在基底表面进行气相沉积，形成材料A的纳米片；步骤(b)：将材料B1的粉末在逆向载气气流下加热至生长温度，随后再在正向载气气流下使B1沿材料A的纳米片外沿横向生长，生长完成后再通入逆向载气气流，制得二维材料横向异质结A‑B1；所述的逆向指由基底吹向原料粉末的方向；所述的正向指由原料粉末吹向基底的方向；所述的材料A和材料B1独自选自过渡金属硫族化合物、金属卤化物、过渡金属卤氧化物、金属碳化物或金属氮化物，且A≠B1。

【技术特征摘要】
1.一种二维材料横向异质结的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤(a)：以材料A粉末为原料，在基底表面进行气相沉积，形成材料A的纳米片；步骤(b)：将材料B1的粉末在逆向载气气流下加热至生长温度，随后再在正向载气气流下使B1沿材料A的纳米片外沿横向生长，生长完成后再通入逆向载气气流，制得二维材料横向异质结A-B1；所述的逆向指由基底吹向原料粉末的方向；所述的正向指由原料粉末吹向基底的方向；所述的材料A和材料B1独自选自过渡金属硫族化合物、金属卤化物、过渡金属卤氧化物、金属碳化物或金属氮化物，且A≠B1。2.如权利要求1所述的二维材料横向异质结的制备方法，其特征在于，以Bi粉末为原料，重复i-1次步骤(b)，在带有Bi-1的二维横向异质结材料外沿横向生长Bi，得到结构为A-B1-B2-......Bi的成品；所述i为大于等于2的整数；所述Bi粉末选自过渡金属硫族化合物、金属卤化物、过渡金属卤氧化物、金属碳化物或金属氮化物；且Bi≠Bi-1。3.如权利要求2所述的二维材料横向异质结的制备方法，其特征在于，所述的A-B1-B2-......Bi的成品中，相间隔层的材料相同。4.如权利要求2或3所述的二维材料横向异质结的制备方法，其特征在于，i为2或3。5.如权利要求1～4任一项所述的二维材料横向异质结的制备方法，其特征在于，所述的A选自WS2或WSe2；所述的B1、Bi独自选自MoS2、WS2、MoSe2或WSe2。6.如权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：段镶锋，段曦东，张正伟，陈鹏，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43