一种二维材料的氧掺杂改性方法技术

本发明专利技术提供了一种二维材料的氧掺杂改性方法。本发明专利技术提供的方法包括以下步骤：(1)将二维材料置于激光直写系统中，用定位系统找到待改性区域；(2)使用所述激光直写系统在步骤(1)所述待改性区域按照设定的图案进行激光直写，得到氧掺杂改性的二维材料。该方法通过利用定位系统精确定位二维材料的待改性区域，并按照图案对二维材料进行激光直写，可以实现对选定区域的氧掺杂改性，而不影响其他区域，该氧掺杂改性的方法精确度达到100nm；并且通过使用灰度图，根据所述灰度图的不同灰阶分别用不同能量的激光进行激光直写可实现不同掺杂位置具有不同的氧掺杂量，使得一个图形中的氧掺杂量可以连续变化，实现可控的梯度氧掺杂。

A Modification Method of Two-Dimensional Materials by Oxygen Doping

【技术实现步骤摘要】
一种二维材料的氧掺杂改性方法
本专利技术属于二维材料制备领域，涉及一种二维材料改性方法，尤其涉及一种二维材料的氧掺杂改性方法。
技术介绍
二维材料的氧掺杂是改变和增强二维材料器件性能的重要策略之一。二维材料中的氧空穴常常会决定载流子的浓度，从而决定材料中的载流子传输特性，如忆阻材料的开关特征,掺杂改性后的PN结的发光性质等。迄今为止开发出了多种掺杂技术可以有效改进有机半导体，碳纳米管(CNT)，石墨烯等的光电特性。目前，基于掺杂的二维层状材料的研究已经成为最有趣的“热门”研究之一，并且还在迅速扩大和发展，掺杂已使得二维材料应用于各种纳米器件的潜力大大提升。二维材料经氧掺杂后能获得性能的提升，包括其器件的化学稳定性、宽带隙、高开/关比、高迁移率和透明性等等。各种二维材料共混的掺杂，在器件最大化电子迁移率和光电异质结构方面有着巨大的前景和潜力。随着二维材料器件的发展，各种特殊需要不断提出，梯度氧空穴分布作为一种有效的载流子定向调控手段，已经引起了人们的广泛关注。但目前的各种掺杂方法均为单一含量的掺杂，并且往往是对整个样品进行均匀掺杂，不能实现选区掺杂和含量的梯度调控。CN106898691A公开了一种氧掺杂二硫化钼热电材料的制备方法，该方法中，氧掺杂二硫化钼热电材料的制备方法包括以下步骤：首先称取一定质量的MoS2粉末，平铺于刚玉舟中，然后放到水平管式炉的石英管中，升到一定的温度，在空气气氛下恒温一定的时间，得到氧掺杂的二硫化钼粉末，最后利用放电等离子体烧结技术(SPS)烧结成致密的块状热电材料。该方法虽然能对二硫化钼进行氧掺杂，但是不适用于对二维二硫化钼进行选区掺杂。CN103359727A公开了一种氧、氯共掺杂石墨烯量子点的制备方法，在水热条件和盐酸催化条件下，糖作为碳源和氧掺杂源，盐酸作为氯掺杂源，糖分子与盐酸缩水聚合形成水溶性氧、氯共掺杂石墨烯量子点。本专利技术的技术涉及往石墨烯量子点中同时引入氧和氯元素，从而增加石墨烯量子点中电子跃迁的有效能级，进而使得用本专利技术制备得到的氧、氯共掺杂石墨烯量子点。该方法使用化学掺杂的方法，不适用于选区掺杂，只能进行均一掺杂。CN107673327A公开了一种石墨烯转移与掺杂方法，其包括如下步骤：在衬底两面生长石墨烯；将生长石墨烯后衬底的一面与过渡基底贴合；在目标基底上涂布带有掺杂质的胶层；将生长石墨烯后衬底的另一面涂布有掺杂质胶层的目标基底贴合；固化胶层；将衬底与石墨烯完全剥离；将生长在目标基底上的石墨烯和生长在过渡基底上的石墨烯贴合，再去掉过渡基底；目标基底上转移多层石墨烯层。该方法显然无法用于选区掺杂，且仅能对石墨烯二维材料进行氯掺杂而无法进行氧掺杂。
技术实现思路
针对现有技术中存在的上述不足，本专利技术的目的在于提供一种二维材料的氧掺杂改性方法。本专利技术提供的改性方法是一种激光直写诱导的二维材料氧掺杂改性方法，其选区精确可控，并且可实现梯度掺杂。为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术提供一种二维材料的氧掺杂改性方法，所述方法包括以下步骤：(1)将二维材料置于激光直写系统中，用定位系统找到待改性区域；(2)在步骤(1)所述待改性区域按照设定的图案进行激光直写，得到氧掺杂改性的二维材料。本专利技术中，通过定位系统，就可以精确定位待改性区域，做到仅对待改性区域进行氧掺杂，而不影响其他区域；并且通过预先设定刻写图案，按照图案进行激光直写，可以精确控制氧掺杂区域的图案，实现其图案化氧掺杂改性。本专利技术中，激光直写实现氧掺杂改性的原理为：通过激光直写系统发射的激光，可以使二维材料局部加热，促使二维材料中的阴离子(例如硫族阴离子)析出，并使环境中的氧替代阴离子析出后形成的空位，形成氧空穴，进而调节二维材料的载流子的浓度，从而决定材料中的载流子传输特性，改变二维材料的光电特性。本专利技术中，所述激光直写系统可以通过现有技术获得，例如使用CN107045266A或CN101981500A中所记载的激光直写光刻机。本专利技术提供的氧掺杂改性方法精确度高，达到100nm。这里的精确度是指改性点的直径或线宽。以下作为本专利技术优选的技术方案，但不作为对本专利技术提供的技术方案的限制，通过以下优选的技术方案，可以更好的达到和实现本专利技术的技术目的和有益效果。作为本专利技术优选的技术方案，步骤(1)所述二维材料的化学式为MX2，其中M为过渡金属，X为硫族元素且不为氧元素。本专利技术优选上述化学式的二维材料，是因为氧和硫为同族元素，易与过渡族金属发生反应生成过渡族金属氧化物和硫化物，并且过渡族金属硫化物可以在氧氛围下，通过加热、激光光照等方式易于向过渡族金属氧化物转变，掺入氧的过渡族金属硫化物稳定性得到了增强。优选地，所述过渡金属包括Mo、W或Re中的任意一种或至少两种的组合，典型但是非限制性的组合有：Mo和W的组合，Mo和Re的组合，W和Re的组合等。优选地，所述硫族元素包括S、Se或Te中的任意一种或至少两种的组合，典型但是非限制性的组合有：S和Se的组合，S和Te的组合，Se和Te的组合等。优选地，所述二维材料为二硫化钼。作为本专利技术优选的技术方案，步骤(1)所述二维材料采用机械剥离和/或化学气相沉积的方法制备得到。优选地，步骤(1)所述二维材料位于基底上。本专利技术中，把二维材料转移到基底上再进行改性，可以避免改性后再转移对二维材料造成的污染。优选地，所述基底包括SiO2/Si基底、Si基底或石英玻璃基底中的任意一种或至少两种的组合。作为本专利技术优选的技术方案，步骤(1)所述二维材料置于激光直写系统的载物台上。优选地，步骤(1)中，将所述二维材料转移到基底上后，再将载有二维材料的基底置于激光直写系统的载物台上。优选地，所述载物台带有移动系统。优选地，所述移动系统的移动精度在10nm以下，例如10nm、9.5nm、9nm、8.5nm、8nm、7.5nm、7nm、6.5nm或6nm等。优选地，所述移动系统与定位系统配合使用。通过将移动系统和定位系统配合使用，可以更准确更快速地确定待改性区域。作为本专利技术优选的技术方案，步骤(1)所述定位系统为CCD相机。本专利技术中，CCD相机可以清晰地看到样品的形貌，并且可以根据需要在激光直写系统中，对精确定点绘图与激光灰度刻写提供帮助。优选地，步骤(1)所述定位系统集成于激光直写系统中。优选地，步骤(1)所述激光直写系统为激光直写光刻机。作为本专利技术优选的技术方案，骤(2)中，所述图案为灰度图，根据所述灰度图的不同灰阶分别用不同能量的激光进行激光直写。通过根据所述灰度图的不同灰阶分别用不同能量的激光进行激光直写，可以使一个图形中的氧掺杂物质含量连续变化，实现梯度可控的氧掺杂。激光的能量越高，刻写后该激光对应的改性位置氧含量越高。作为本专利技术优选的技术方案，所述灰度图的灰阶为0-255，例如0、5、10、50、100、150、175、200或255等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。优选地，用画图软件获得所述灰度图。本专利技术中，可以先设计氧掺杂图样，再用画图软件将氧掺杂图样转变为灰度图。优选地，所述画图软件包括CorelDRAW画图软件。作为本专利技术优选的技术方案，采用固定激光脉宽改变功率的方法调节激光能量或采用固定功率改变激光脉宽的方法调节激光能量，优选为采用固定本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种二维材料的氧掺杂改性方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)将二维材料置于激光直写系统中，用定位系统找到待改性区域；(2)使用所述激光直写系统在步骤(1)所述待改性区域按照设定的图案进行激光直写，得到氧掺杂改性的二维材料。

【技术特征摘要】
1.一种二维材料的氧掺杂改性方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)将二维材料置于激光直写系统中，用定位系统找到待改性区域；(2)使用所述激光直写系统在步骤(1)所述待改性区域按照设定的图案进行激光直写，得到氧掺杂改性的二维材料。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述二维材料的化学式为MX2，其中M为过渡金属，X为硫族元素且不为氧元素；优选地，所述过渡金属包括Mo、W或Re中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述硫族元素包括S、Se或Te中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述二维材料为二硫化钼。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述二维材料采用机械剥离和/或化学气相沉积的方法制备得到；优选地，步骤(1)所述二维材料位于基底上；优选地，所述基底包括SiO2/Si基底、Si基底或石英玻璃基底中的任意一种或至少两种的组合。4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述二维材料置于激光直写系统的载物台上；优选地，步骤(1)中，将所述二维材料转移到基底上后，再将载有二维材料的基底置于激光直写系统的载物台上；优选地，所述载物台带有移动系统；优选地，所述移动系统的移动精度在10nm以下；优选地，所述移动系统与定位系统配合使用。5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述定位系统为CCD相机；优选地，步骤(1)所述定位系统集成于激光直写系统中；优选地，步骤(1)所述激光直写系统为激光直写光刻机。6.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述图案为灰度图，根据所述灰度图的不同灰阶分别用不同能量的激光进行激光直写。7.根据权利要求6所述方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨奉佑，陈胜垚，王晓丰，刘前，
申请(专利权)人：国家纳米科学中心，
类型：发明
国别省市：北京,11