一种过渡金属硫族化合物能隙调控的方法技术

一种过渡金属硫族化合物能隙调整的方法，其压力的产生装置为金刚石对顶砧，通过在金刚石压砧上集成范德堡电极，在原位测量压力作用下，根据电阻率变化规律，检测过渡金属硫族化合物能隙调控效果，压力步进精度高，对于过渡金属硫族化合物能隙的压缩连续可调，采用范德堡法测量样品电阻率，并根据电阻率数据以及电阻率随温度变化关系判断过渡金属硫族化合物能隙闭合情况，不仅适用于单晶样品而且对多晶粉末样品也有效，适用范围更广，可操作性强，效果佳。

A Method for Gap Regulation of Transition Metal Chalcogenides

【技术实现步骤摘要】
一种过渡金属硫族化合物能隙调控的方法
本专利技术涉及高压物理技术和半导体电子结构领域，特别是涉及一种过渡金属硫族化合物能隙调整的方法。
技术介绍
过渡金属硫族化合物是一类传统的无机半导体材料，其化学通式常用MX2表示，M＝Mo、W等，X＝S、Se、Te。TMDs具有典型的层状结构，每一层都是三明治X-M-X的形式，即过渡金属在中间，上下分别依靠共价键连接硫族元素的原子，三明治结构的层依靠范德瓦尔斯力相互堆叠形成体材料的晶格结构。过渡金属硫族化合物具有半导体属性，压力的增加使其晶胞变小，布里渊区亦被压缩，能隙变窄，价带上的电子更容易跃迁到导带参与导电，宏观上能隙变窄表现为样品电阻率降低。温度升高可以使价带中的能级或能隙中的杂质能级进入导带参与导电，所以半导体的电阻率随温度的升高而降低。能隙闭合后其能带结构类似于金属，温度的升高会使原子实在其平衡位置附近振动加剧，自由电子与原子实之间的碰撞机会就越大，也就越阻碍电子的定向运动，故能隙闭合后，材料的电阻率随温度的升高而升高。2004年，曼切斯特大学Geim小组成功分离出单原子层的石墨材料—石墨烯(graphene)，二维材料是随着单原子层的石墨材料—石墨烯成功分离而提出的，过渡金属硫族化合物很容易通过机械剥离等手段获得宝贵的二维材料。二维材料石墨烯拥有优越的电子传输性能、光学特性、热学特性，其在能源领域有着十分巨大的潜力，但从本质上来说是半金属，其能带结构中并没有能隙，这给石墨烯在电子领域和光电领域的实际应用带来很大障碍。过渡金属硫族化合物是半导体属性，具有较大的能隙，还兼具二维材料的优越性能，它可以胜任电子和光电方面的用途。在某些应用场景，需要过渡金属硫族化合物的能隙宽窄可调，光伏器件的构成材料为过渡金属硫族化合物，其能隙的变化可以吸收光谱的范围扩展至指定波段，提高光电转换效率。过渡金属硫族化合物的电子结构调谐主要有以下几种方式：1、外加电场扰动电子自旋、改变电子自由度；2、减少样品层数，使二维材料的量子效应显著，对电子结构进行量子限域；3、通过对材料的弯曲、拉伸、或引入衬底等方式对晶格施加应力，以改变电子结构。利用这些手段调谐能隙时都需要电场、应力等特殊条件，产生这些条件的装置很苛刻，这会导致它们的使用方式很受限制，目前的技术手段很难达到单层原子的操纵，只有对单晶薄膜样品的弯曲或拉伸才能产生应力从而影响电子结构，而很多应用实例要求样品形态为多晶粉末。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术中存在的问题，根据过渡金属硫族化合物受压力后电阻率变化规律，高压原位传导激活能的检测方法，创造性提出了一种过渡金属硫族化合物能隙调整的方法，可以使过渡金属硫族化合物能隙至闭合状态都连续可调，适用于粉末多晶样品。本专利技术所采用的技术方案是：一种过渡金属硫族化合物能隙调整的方法，其特征是，它包括以下步骤：(1)启动金刚石压砧，在密封垫上产生压痕，在压痕中心设置通孔，将密封垫上的通孔作为压腔；(2)将金刚石对顶砧进行化学清洗，去除其表面的油脂和灰尘；(3)在上金刚石对顶砧砧面上，利用射频溅射的方式，沉积0.3微米的金属钼薄膜作为导电层；(4)利用光刻和化学腐蚀的方法，将上金刚石对顶砧砧面上的金属钼薄膜，加工成范德堡电极的图形，电极排布的位置完全由精密的光刻机控制台确定；(5)利用射频溅射的方法，把1.5微米-2.5微米的氧化铝薄膜，沉积到上金刚石对顶砧砧面的钼电极上，作为绝缘层；(6)在绝缘层上，用光刻和化学腐蚀方法露出电极探测窗口；(7)组装金刚石压砧，将带通孔的密封垫设置在下金刚石对顶砧砧面上，在压腔底部放置红宝石，然后将过渡金属硫族化合物粉末多晶样品填满压腔，将集成微电极的上金刚石对顶砧装配到压机上；(8)采用范德堡法测量过渡金属硫族化合物粉末多晶样品电阻率，首先，在上金刚石对顶砧微电极第一端1、微电极第二端2两端给激励电流I12，在微电极第三端3、微电极第四端4两端测电压U34，得到电阻R1＝U34/I12；然后在微电极第二端2、微电极第三端3两端给激励电流I23，在微电极第四端4、微电极第一端1两端测电压U41，得到电阻R2＝U41/I23，将R1和R2带入范德堡方程计算出样品的电租率值ρ：其中d是样品的厚度，实验中由千分尺测得，实现过渡金属硫族化合物粉末多晶样品电阻率的原位测量；(9)均匀缓慢地调整压机连续施压，根据红宝石荧光峰R1线随压力的频移特性确认压力大小，将压腔内过渡金属硫族化合物粉末多晶样品压实，同时反复按照步骤8中采用范德堡法测量样品电阻率；(10)金刚石压砧从常压开始逐渐施压，实现压力连续增加，并根据电阻率数据以及电阻率随温度变化关系判断过渡金属硫族化合物能隙闭合情况。在所述的步骤(1)中，所述的金刚石压砧面直径为400微米，在密封垫压痕中心设置直径为200微米通孔作为压腔，金刚石压砧能实现从常压到80GPa的压力连续调节。本专利技术一种过渡金属硫族化合物能隙调整的方法的有益效果体现在：1、一种过渡金属硫族化合物能隙调整的方法，压力产生方法科学合理，压力步进精度高，压力极限也高，对于过渡金属硫族化合物能隙的压缩连续可调，压缩幅度大，不仅适用于单晶样品而且对多晶粉末样品也有效，适用范围更广，可操作性强，效果佳；2、一种过渡金属硫族化合物能隙调整的方法，实现压力连续增加，采用范德堡法测量样品电阻率，并根据电阻率数据以及电阻率随温度变化关系判断过渡金属硫族化合物能隙闭合情况。测量手段合理，运算准确、简单可靠。附图说明图1是在一种过渡金属硫族化合物能隙调整的方法中采用的压力装置示意图；图2是图1中压力装置的上金刚石对顶砧A向视图；图3是在图1中压力装置的上金刚石对顶砧砧面上集成微电路方法示意图；图4是经一种过渡金属硫族化合物能隙调整的方法作用，WSe2样品的电阻率变化规律示意图；图5是WSe2样品能带闭合前后的电阻率变温曲线；图6是压力对WSe2能带结构影响效果示意图；图7是图4和图5显示的WSe2材料的传导激活能与压力的线性关系图；图8是压力对WS2，WSe2，MoS2，MoSe2能隙调控效果示意图；图中：1.微电极第一端，2.微电极第二端，3.微电极第三端，4.微电极第四端，5.样品，6.上金刚石对顶砧，7.下金刚石对顶砧，8.红宝石，9.密封垫，10.铜导线，11.氧化铝，12.钼。具体实施方式以下结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细说明，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。参照附图1至附图3，(1)选用砧面直径为400微米的金刚石压砧，T301钢作为密封垫9预压至40微米，并用激光在压痕的中心烧灼一个直径为200微米的孔作为压腔；(2)将金刚石对顶砧用硫酸和硝酸体积比4:1进行化学清洗，去除掉表面的油脂和灰尘，以提高金属导电薄膜在金刚石压砧上的附着力；(3)利用射频溅射的方式，在上金刚石对顶砧砧面上，沉积金属钼薄膜作为导电层，沉积时间为4分钟，钼膜厚0.3微米；(4)利用光刻和化学腐蚀的方法，将金属钼薄膜加工成范德堡电极的图形；(5)再利用射频溅射的方法把1.5微米-2.5微米的氧化铝薄膜沉积到钼电极上，作为绝缘层；(6)然后用光刻和化学腐蚀方法露出电极探测窗口，引出铜导线；(7)在压腔底部放置红宝石，将WSe2粉末晶体填入本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种过渡金属硫族化合物能隙调整的方法，其特征是，它包括以下步骤：(1)启动金刚石压砧，在密封垫上产生压痕，在压痕中心设置通孔，将密封垫上的通孔作为压腔；(2)将金刚石对顶砧进行化学清洗，去除其表面的油脂和灰尘；(3)在上金刚石对顶砧砧面上，利用射频溅射的方式，沉积0.3微米的金属钼薄膜作为导电层；(4)利用光刻和化学腐蚀的方法，将上金刚石对顶砧砧面上的金属钼薄膜，加工成范德堡电极的图形，电极排布的位置完全由精密的光刻机控制台确定；(5)利用射频溅射的方法，把1.5微米‑2.5微米的氧化铝薄膜，沉积到上金刚石对顶砧砧面的钼电极上，作为绝缘层；(6)在绝缘层上，用光刻和化学腐蚀方法露出电极探测窗口；(7)组装金刚石压砧，将带通孔的密封垫设置在下金刚石对顶砧砧面上，在压腔底部放置红宝石，然后将过渡金属硫族化合物粉末多晶样品填满压腔，将集成微电极的上金刚石对顶砧装配到压机上；(8)采用范德堡法测量过渡金属硫族化合物粉末多晶样品电阻率，首先，在上金刚石对顶砧微电极第一端(1)、微电极第二端(2)两端给激励电流I12，在微电极第三端(3)、微电极第四端(4)两端测电压U34，得到电阻R1＝U34/I12；然后在微电极第二端(2)、微电极第三端(3)两端给激励电流I23，在微电极第四端(4)、微电极第一端(1)两端测电压U41，得到电阻R2＝U41/I23，将R1和R2带入范德堡方程计算出样品的电租率值ρ：...

【技术特征摘要】
1.一种过渡金属硫族化合物能隙调整的方法，其特征是，它包括以下步骤：(1)启动金刚石压砧，在密封垫上产生压痕，在压痕中心设置通孔，将密封垫上的通孔作为压腔；(2)将金刚石对顶砧进行化学清洗，去除其表面的油脂和灰尘；(3)在上金刚石对顶砧砧面上，利用射频溅射的方式，沉积0.3微米的金属钼薄膜作为导电层；(4)利用光刻和化学腐蚀的方法，将上金刚石对顶砧砧面上的金属钼薄膜，加工成范德堡电极的图形，电极排布的位置完全由精密的光刻机控制台确定；(5)利用射频溅射的方法，把1.5微米-2.5微米的氧化铝薄膜，沉积到上金刚石对顶砧砧面的钼电极上，作为绝缘层；(6)在绝缘层上，用光刻和化学腐蚀方法露出电极探测窗口；(7)组装金刚石压砧，将带通孔的密封垫设置在下金刚石对顶砧砧面上，在压腔底部放置红宝石，然后将过渡金属硫族化合物粉末多晶样品填满压腔，将集成微电极的上金刚石对顶砧装配到压机上；(8)采用范德堡法测量过渡金属硫族化合物粉末多晶样品电阻率，首先，在上金刚石对顶砧微电极第一端(1)、微电极第二端(2)两端给激励电流I12，在...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘鲍，周鹏宇，郭振东，侯朴赓，
申请(专利权)人：东北电力大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22