一种单层过渡金属硫化物的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种单层过渡金属硫化物的制备方法，所述的制备方法包括：过渡金属硫化物与碱金属卤化物混合后高温加热得到所述的单层过渡金属硫化物。本发明专利技术通过使用碱金属卤化物辅助生长，通过加热碱金属卤化物和过渡金属硫化物形成共熔体，增大过渡金属硫化物的饱和蒸气压，能够实现较大面积单层过渡金属硫化物的连续生长和单畴区的可控生长。

【技术实现步骤摘要】
一种单层过渡金属硫化物的制备方法
本专利技术属于电子和光电
，涉及一种单层过渡金属硫化物的制备方法，尤其涉及一种实现大面积的单层过渡金属硫化物的制备方法。
技术介绍
原子层厚度的单层半导体材料能够克服场效应晶体管的窄沟道效应，以及具有较低的功耗，是未来电子器件的候选材料之一。根据单层材料独特的性能优势，可以在场效应晶体管、储存器、振荡器、热辐射探测器、传感器、柔性器件中被广泛的应用。且高迁移率的单层原子晶体对逻辑器件、光谱检测、光电转换领域都具有很重要的推动作用。二维过渡金属硫族化合物(TMDs)材料具有与石墨烯相类似的层状结构，涵盖了多种不同性质的材料，如金属性的1T'MoTe2、WTe2等，半导体性的MoS2、WSe2等以及绝缘体的Bi2Se3等。其中，大多数半导体性的二维TMDs材料具有层数依赖的带隙结构及较高的载流子迁移率等优异性质，有效弥补了石墨烯零带隙的缺点，有望在电子和光电器件中得到应用。材料的制备决定未来，大面积、厚度均匀、高质量二维过渡金属硫族化合物材料的可控制备是实现其研究和应用的基础，但是目前还存在的成核和生长难以控制等挑战。CN107522191A公开了一种基于自限制形核生长的大尺寸高质量石墨烯制备方法，包括如下步骤：(1)将铜箔进行抛光处理后，进行镍金属沉积覆盖；(2)将覆盖镍金属的铜箔放入生长腔内抽真空，通入保护气体，保持一定压强条件下，快速升温；(3)在温度到达生长温度时，通入氢气及甲烷进行石墨烯生长。CN106567055A公开了一种大面积高质量完全单层的二硫化钨的制备方法，该方法采用化学气相沉积技术，以对钨溶解度极低的金为生长基体，在常压下利用钨源和硫源高温下在金基体表面催化反应，自限制生长高质量完全单层的二硫化钨的大尺寸单晶和大面积连续薄膜；利用常压条件下所得二硫化钨和金基体结合较弱的特点，分别采用鼓泡转移方法和鼓泡与卷对卷转移相结合的方法，在不破坏金基体的情况下，将大面积完全单层的二硫化钨转移至刚性目标基体和柔性目标基体上。CN110257906A公开了一种二维过渡金属硫族化合物晶体的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：(1)在加热装置中，沿着气流方向依次放置硫族单质源和过渡金属氧化物源；所述过渡金属氧化物源的表面覆盖有分子筛；所述过渡金属氧化物源的上方放置有生长基底；(2)向所述加热装置中通入保护性气体，升温至所述过渡金属氧化物源放置处的温度达到化学气相沉积温度、硫族单质源放置处的温度达到单质挥发温度，进行化学气相沉积，得到所述二维过渡金属硫族化合物晶体。CN106757361A公开了一种基于CVD法生长MoS2二维晶体的方法，主要解决传统方法工艺较复杂，可控性差的问题。其实施步骤是：1.对衬底进行超声清洗，将S和MoO2前驱体置于两个独立的石英舟中，将衬底倒扣搭在装MoO2的舟上，并将两舟依次置于炉体反应腔中，在反应腔室内通入高纯氩气吹扫；2.快速加热MoO2粉末，降低升温速率将S粉推入120～220℃温区，使S蒸汽与MoO2蒸汽反应生成MoS2，沉积在倒扣于MoO2石英舟的衬底上；3.待炉体中心温度降至100℃以下时，将衬底取出，完成MoS2晶体制备。该专利技术成本较低，提高了生长过程的可调节性，但其得到的晶体形状单一，无法满足日益发展的电子和光电器件。现有技术对于单层过渡金属硫化物的制备存在如下技术困难：由于过渡金属硫化物在1000摄氏度以上会分解，而低温下过渡金属硫化物的蒸气压较低，无法获得较大面积单层过渡金属硫化物纳米薄膜的连续生长。因此，本领域亟待需要一种单层过渡金属硫化物的自限制生长的的方法，且获得的单层过渡金属硫族化物面积足够大。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种单层过渡金属硫化合物的制备方法，本专利技术通过使用碱金属卤化物辅助生长，通过加热碱金属卤化物和过渡金属硫化物形成共熔体，增大过渡金属硫化物的饱和蒸气压，能够实现较大面积单层过渡金属硫化物的连续生长和单畴区的可控生长。为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术提供了一种单层过渡金属硫化物的制备方法，所述的制备方法包括：过渡金属硫化物与碱金属卤化物混合后高温加热得到所述的单层过渡金属硫化物。本专利技术通过使用碱金属卤化物辅助生长，通过加热碱金属卤化物和过渡金属硫化物形成共熔体，增大过渡金属硫化物的饱和蒸气压，能够实现较大面积单层过渡金属硫化物的连续生长和单畴区的可控生长。作为本专利技术一种优选的技术方案，所述的过渡金属硫化物的化学式为XY2，其中，X为Mo或W，Y为S或Se，例如过渡金属硫化物可以是MoS2、MoSe2、WS2或WSe2。优选地，所述的碱金属卤化物的纯度大于99.9％。优选地，所述的碱金属卤化物的化学式为MN，其中，M为Na、K或Cs中的一种，N为Cl、Br或I中的一种，例如所述的碱金属卤化物可以是NaCl、NaBr、NaI、KCl、KBr、KI、CsCl、CsBr或CsI。作为本专利技术一种优选的技术方案，所述的高温加热过程在物理气相沉积装置中进行。优选地，所述的物理气相沉积装置包括加热装置、石英舟和石英管。优选地，所述的加热装置为管式加热炉。优选地，所述的石英管的长度为1～2m，例如可以是1.0m、1.1m、1.2m、1.3m、1.4m、1.5m、1.6m、1.7m、1.8m、1.9m或2.0m，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，进一步优选地，所述的石英管的长度为1.4m。优选地，所述的石英管的直径为0.5～2英寸，例如可以是0.5英寸、0.6英寸、0.7英寸、0.8英寸、0.9英寸、1.0英寸、1.1英寸、1.2英寸、1.3英寸、1.4英寸、1.5英寸、1.6英寸、1.7英寸、1.8英寸、1.9英寸或2.0英寸，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，进一步优选地，所述的石英管的直径为1英寸。优选地，所述的石英管的两端设置有真空阀。优选地，所述的管式加热炉的长度短于石英管的长度。作为本专利技术一种优选的技术方案，所述的制备方法具体包括：(Ⅰ)将盛有过渡金属硫化物与碱金属卤化物的生长基底放入石英舟中；(Ⅱ)石英舟放入石英管内，将石英管内部抽真空后通入保护性气体；(Ⅲ)通过加热装置对石英管高温加热一段时间，过渡金属硫化物挥发后在基底表面沉积形成所述的单层过渡金属硫化物。作为本专利技术一种优选的技术方案，步骤(Ⅰ)所述的基底为蓝宝石基底。作为本专利技术一种优选的技术方案，所述的基底经过高温退火处理。在本专利技术中，对基底进行退火处理的目的在于：去除基底上的悬挂键，例如：H2O、有机物等。优选地，所述的退火温度为700～900℃，例如可以是700℃、710℃、720℃、730℃、740℃、750℃、760℃、770℃、780℃、790℃、800℃、810℃、820℃、830℃、840℃、850℃、860℃、870本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单层过渡金属硫化物的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括：/n过渡金属硫化物与碱金属卤化物混合后高温加热得到所述的单层过渡金属硫化物。/n

【技术特征摘要】
1.一种单层过渡金属硫化物的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括：
过渡金属硫化物与碱金属卤化物混合后高温加热得到所述的单层过渡金属硫化物。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的过渡金属硫化物的化学式为XY2，其中，X为Mo或W，Y为S或Se；
优选地，所述的碱金属卤化物的纯度大于99.9％；
优选地，所述的碱金属卤化物的化学式为MN，其中，M为Na、K或Cs中的一种，N为Cl、Br或I中的一种。


3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述的高温加热过程在物理气相沉积装置中进行；
优选地，所述的物理气相沉积装置包括加热装置、石英舟和石英管；
优选地，所述的加热装置为管式加热炉；
优选地，所述的石英管的长度为1～2m，进一步优选地，所述的石英管的长度为1.4m；
优选地，所述的石英管的直径为0.5～2英寸，进一步优选地，所述的石英管的直径为1英寸；
优选地，所述的石英管的两端设置有真空阀；
优选地，所述的管式加热炉的长度短于石英管的长度。


4.根据权利要求1-3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述的制备方法具体包括：
(Ⅰ)将盛有过渡金属硫化物与碱金属卤化物的生长基底放入石英舟中；
(Ⅱ)石英舟放入石英管内，将石英管内部抽真空后通入保护性气体；
(Ⅲ)通过加热装置对石英管高温加热一段时间，过渡金属硫化物挥发后在基底表面沉积形成所述的单层过渡金属硫化...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢黎明，巩凡，
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