一种薄层二维过渡金属碲基固溶体的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种薄层二维过渡金属碲基固溶体的制备方法，包括，选取衬底并对其进行超声清洗；将衬底和待反应的前驱体混合物放入反应炉的中央温区，并将待反应的碲粉和硫粉或碲粉和硒粉放入反应炉的气流上游区；对反应炉进行气氛净化；将中央温区升温至反应温度，移动碲粉和硫粉或碲粉和硒粉靠近中央温区，使其融化蒸发，调整氢气和氩气比例，使前驱体混合物，碲粉以及硫粉或硒粉在氢气和氩气混合气体中进行反应，在衬底表面得到二维过渡金属碲基固溶体。本发明专利技术的方法通过CVD技术，在制备过程中通过对氢气通入时间和通入含量的控制，制备得到单层或少层、组分均一、连续可调，相可控的二维过渡金属碲基固溶体。

Preparation of Tellurium-based Solid Solution with Thin Layer and Two-dimensional Transition Metal

【技术实现步骤摘要】
一种薄层二维过渡金属碲基固溶体的制备方法
本专利技术属于二维过渡金属硫族化合物制备
，具体涉及一种薄层二维过渡金属碲基固溶体的制备方法。
技术介绍
二维过渡金属硫族化合物材料(2D-TMDCs)凭借其独特的物理、化学性能，在光电、电子器件以及催化储能方面具有良好的应用前景。典型的二维过渡金属硫族化合物包括二硫化钼(MoS2)、二硒化钼(MoSe2)和二硫化钨(WS2)等，而相比于纯的二维过渡金属硫族化合物，掺杂型的二维过渡金属硫族化合物，由于其特殊的光学、电学、磁学等新性能，有望广泛应用于微纳电子器件、光学器件、自旋器件、化学生物传感器、电化学催化等领域。固溶体工程作为主要制备掺杂型的二维过渡金属硫族化合物的方法越来越受到研究人员的关注。此外，利用固溶体工程对材料的相结构的调控也是当前的研究热点，如2H六方半导体相和1T’形变八面体半金属相之间的转变。目前，掺杂型的二维过渡金属硫族化合物的制备主要集中在硫(S)元素被硒(Se)元素取代或过度金属元素被相互取代，例如，WxMo1-xS2固溶体或MoSe2(1-x)S2x，但是关于S元素或Se元素被碲(Te)元素取代的Te基固溶体如Te-S/Te-Se固溶体的制备，研究人员仅仅使用较为复杂的化学气相输运(CVT)技术制备出组分可控和不同相的TaSe2(1-x)Tex和WSe2(1-x)Te2x固溶体材料，使用昂贵的分子束外延工艺(MBE)制备出MoSe2(1-x)Te2x固溶体材料。对于Te基固溶体，由于Te元素的化学活性和S/Se元素差异较大，过渡金属(M)与Te之间的M-Te键的结合能力差于M-S/M-Se键，而且Te元素的熔点远高于S元素和Se元素的熔点，在气相反应过程中会导致Te原子在运输中快速通过从而导致Te分压不足，所以常规CVD技术不能均匀、有效的控制固溶体材料的组分变化，制备得到的固溶体组分不均一、不连续可调。因此，一种简单的、可控的、可延伸的Te基的固溶体组分和相变调控制备技术是十分必要的。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供了一种薄层二维过渡金属碲基固溶体的制备方法。本专利技术要解决的技术问题通过以下技术方案实现：本专利技术提供了一种薄层二维过渡金属碲基固溶体的制备方法，包括：选取衬底并对其进行超声清洗；将所述衬底和待反应的前驱体混合物放入反应炉的中央温区并将待反应的碲粉和硫粉或碲粉和硒粉放入所述反应炉的气流上游区；对所述反应炉进行气氛净化；将所述中央温区升温至反应温度，移动所述碲粉和所述硫粉或所述碲粉和所述硒粉靠近所述中央温区，使其融化蒸发，调整氢气和氩气比例，使所述前驱体混合物，所述碲粉以及所述硫粉或所述硒粉在氢气和氩气混合气体中进行反应，在所述衬底表面得到所述二维过渡金属碲基固溶体。在本专利技术的一个实施例中，选取衬底并对其进行超声清洗，包括：选取衬底，依次采用去离子水、丙酮、异丙醇对所述衬底进行3-5min超声清洗，其中，所述衬底包括SiO2/Si衬底、蓝宝石衬底、云母衬底或钠钙玻璃衬底中任意一种。在本专利技术的一个实施例中，将所述衬底和待反应的前驱体混合物放入反应炉的中央温区，并将待反应的碲粉和硫粉或碲粉和硒粉放入所述反应炉的气流上游区，包括：将所述前驱体混合物和所述衬底放入所述反应炉的中央温区，其中，所述衬底位于所述前驱体混合物的上方，所述衬底与所述前驱体混合物之间的间距为3mm-5mm；将5-15mg的硫粉或50-80mg的硒粉放置在石英套管的内部，将200-300mg的碲粉和所述石英套管放入所述反应炉的气流上游区，其中，所述碲粉位于所述石英套管的外部，且靠近所述中央温区的一侧。在本专利技术的一个实施例中，所述前驱体混合物为过渡金属氧化物和碱金属卤族化合物的混合物，所述过渡金属氧化物包括WO3、MoO2、TiO2、Nb2O5、Ta2O5或V2O5，所述碱金属卤族化合物包括NaCl、NaBr、KCl或KI；所述硫粉或所述硒粉与所述碲粉之间的间距为4-10cm，所述碲粉与所述前驱体混合物之间的间距为15-17cm。在本专利技术的一个实施例中，对所述反应炉进行气氛净化，包括：将氩气通入所述反应炉中进行吹扫，氩气的通入速率为300-500sccm，吹扫时间为10min；在氩气气氛下，所述管式炉升温至250-300℃并保温10-15min，完成所述管式炉的气氛净化。在本专利技术的一个实施例中，将所述中央温区升温至反应温度，移动所述碲粉和所述硫粉或所述碲粉和所述硒粉靠近所述中央温区，使其融化蒸发，调整氢气和氩气比例，使所述前驱体混合物，所述碲粉以及所述硫粉或所述硒粉在氢气和氩气混合气体中进行反应，在所述衬底表面得到所述二维过渡金属碲基固溶体，包括：调节氩气和氢气的通入速率，将所述反应炉升温，当所述中央温区升温至700-740℃时，将所述碲粉和所述硫粉或所述碲粉和所述硒粉向所述中央温区移动，并继续将所述中央温区升温至反应温度，在所述中央温区达到所述反应温度0.5-1min后，调节氢气通入速率，再次调整所述硫粉或所述硒粉以及所述碲粉的位置，在所述衬底表面得到所述二维过渡金属碲基固溶体。在本专利技术的一个实施例中，调节氩气和氢气的通入速率，将所述反应炉升温，当所述中央温区升温至700-740℃时，将所述碲粉和所述硫粉或所述碲粉和所述硒粉向所述中央温区移动，并继续将所述中央温区升温至反应温度，在所述中央温区达到所述反应温度0.5-1min后，调节氢气通入速率，再次调整所述硫粉或所述硒粉以及所述碲粉的位置，在所述衬底表面得到所述二维过渡金属碲基固溶体，包括：调节氩气的通入速率至75-100sccm，同时通入氢气，氢气的通入速率为0-1.5sccm，将所述反应炉升温，当所述中央温区升温至700-740℃时，将所述碲粉和所述硫粉或所述碲粉和所述硒粉向所述中央高温区移动，使其融化并蒸发，移动后所述硫粉或所述硒粉与所述前驱体混合物之间的间距为13-19cm，所述碲粉与所述前驱体混合物之间的间距为5-8cm，并继续升温至反应温度；在所述中央温区的温度达到所述反应温度0.5-1min后，调节氢气的通入速率至0-7sccm；继续保持3-4min，在所述衬底表面生成2H六方半导体相MX2(1-x)Te2x固溶体，x＝0-50％，M表示过渡金属，X表示硫或硒。在本专利技术的一个实施例中，调节氩气和氢气的通入速率，将所述反应炉升温，当所述中央温区升温至700-740℃时，将所述碲粉和所述硫粉或所述碲粉和所述硒粉向所述中央温区移动，并继续将所述中央温区升温至反应温度，在所述中央温区达到所述反应温度0.5-1min后，调节氢气通入速率，再次调整所述硫粉或所述硒粉以及所述碲粉的位置，在所述衬底表面得到所述二维过渡金属碲基固溶体，包括：调节氩气的通入速率至75-100sccm，同时通入氢气，氢气的通入速率为1-2sccm，将所述反应炉升温，所述中央温区升温至715-740℃时，将所述硫粉或所述硒粉和所述碲粉向所述中央高温区移动，使其融化并蒸发，移动后所述硫粉或所述硒粉与所述前驱体混合物之间的间距为13-19cm，所述碲粉与所述前驱体混合物之间的间距为5-8cm，并继续升温至反应温度；在所述中央温区的温度达到所述反应温度0.5-1min后，调节氢气的通入速率为9-12scc本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种薄层二维过渡金属碲基固溶体的制备方法，其特征在于，包括：选取衬底并对其进行超声清洗；将所述衬底和待反应的前驱体混合物放入反应炉的中央温区，并将待反应的碲粉和硫粉或碲粉和硒粉放入所述反应炉的气流上游区；对所述反应炉进行气氛净化；将所述中央温区升温至反应温度，移动所述碲粉和所述硫粉或所述碲粉和所述硒粉靠近所述中央温区，使其融化蒸发，调整氢气和氩气比例，使所述前驱体混合物，所述碲粉以及所述硫粉或所述硒粉在氢气和氩气混合气体中进行反应，在所述衬底表面得到所述二维过渡金属碲基固溶体。

【技术特征摘要】
1.一种薄层二维过渡金属碲基固溶体的制备方法，其特征在于，包括：选取衬底并对其进行超声清洗；将所述衬底和待反应的前驱体混合物放入反应炉的中央温区，并将待反应的碲粉和硫粉或碲粉和硒粉放入所述反应炉的气流上游区；对所述反应炉进行气氛净化；将所述中央温区升温至反应温度，移动所述碲粉和所述硫粉或所述碲粉和所述硒粉靠近所述中央温区，使其融化蒸发，调整氢气和氩气比例，使所述前驱体混合物，所述碲粉以及所述硫粉或所述硒粉在氢气和氩气混合气体中进行反应，在所述衬底表面得到所述二维过渡金属碲基固溶体。2.根据权利要求1所述的薄层二维过渡金属碲基固溶体的制备方法，其特征在于，选取衬底并对其进行超声清洗，包括：选取衬底，依次采用去离子水、丙酮、异丙醇对所述衬底进行3-5min超声清洗，其中，所述衬底包括SiO2/Si衬底、蓝宝石衬底、云母衬底或钠钙玻璃衬底中任意一种。3.根据权利要求1所述的薄层二维过渡金属碲基固溶体的制备方法，其特征在于，将所述衬底和待反应的前驱体混合物放入反应炉的中央温区，并将待反应的碲粉和硫粉或碲粉和硒粉放入所述反应炉的气流上游区，包括：将所述前驱体混合物和所述衬底放入所述反应炉的中央温区，其中，所述衬底位于所述前驱体混合物的上方，所述衬底与所述前驱体混合物之间的间距为3mm-5mm；将5-15mg的硫粉或50-80mg的硒粉放置在石英套管的内部，将200-300mg的碲粉和所述石英套管放入所述反应炉的气流上游区，其中，所述碲粉位于所述石英套管的外部，且靠近所述中央温区的一侧。4.根据权利要求3所述的薄层二维过渡金属碲基固溶体的制备方法，其特征在于，所述前驱体混合物为过渡金属氧化物和碱金属卤族化合物的混合物，所述过渡金属氧化物包括WO3、MoO2、TiO2、Nb2O5、Ta2O5或V2O5，所述碱金属卤族化合物包括NaCl、NaBr、KCl或KI；所述硫粉或所述硒粉与所述碲粉之间的间距为4-10cm，所述碲粉与所述前驱体混合物之间的间距为15-17cm。5.根据权利要求1所述的薄层二维过渡金属碲基固溶体的制备方法，其特征在于，对所述反应炉进行气氛净化，包括：将氩气通入所述反应炉中进行吹扫，氩气的通入速率为300-500sccm，吹扫时间为10min；在氩气气氛下，将所述反应炉升温至250-300℃并保温10-15min，完成所述管式炉的气氛净化。6.根据权利要求1所述的薄层二维过渡金属碲基固溶体的制备方法，其特征在于，将所述中央温区升温至反应温度，移动所述碲粉和所述硫粉或所述碲粉和所述硒粉靠近所述中央温区，使其融化蒸发，调整氢气和氩气比例，使所述前驱体混合物，所述碲粉以及所述硫粉或所述硒粉在氢气和氩气混合气体中进行反应，在所述衬底表面得到所述二维过渡金属碲基固溶体，包括：调节氩气和氢气的通入速率，将所述反应炉升温，当所述中央温区升温至700-740℃时，将所述碲粉和所述硫粉或所述碲粉和所述硒粉向所述中央温区移动，并继续将所述中央温区升温至反应温度，在所述中央温区达到所述反应温度0.5-1min后，调节氢气通入速率，再次调整所述硫粉或所述硒粉以及所述碲粉的位置，在所述衬底表面得到所述二维过渡金属碲基固溶体。7.根据权利要求6所述的薄层二维过渡金属碲基固溶体的制备方法，其特征在于，调节氩气和氢气的通入速率，将所述反应炉升温，当所述中央温区升温至700-740℃时，将所述碲粉和所述硫粉或所述碲粉和所述硒粉向所述中央温区移动，并继续将所述中央温区升温至反应温度，在所述中央温区达到所述反应温度0.5-1min后，调节氢气通入速率...

【专利技术属性】
技术研发人员：马晓华，王湛，王冠飞，孙静，周伟凡，于谦，王浩林，谢涌，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61