二维过渡金属硫族化合物及其制备方法和器件技术

本发明专利技术公开了一种二维过渡金属硫族化合物及其制备方法和器件，该制备方法包括以下步骤：取液态过渡金属源覆于衬底上；利用载气将液态硫族源输送至所述衬底处，所述硫族源为硫醇、硒醇或碲醇，在密闭环境内进行加热反应得到二维过渡金属硫族化合物。本发明专利技术利用液态的过渡金属源和液态的硫族源作为反应前驱体，容易通过控制反应前驱体的浓度来构建稳定的前驱体浓度场生长体系，从而促进了过渡金属硫族化合物的均匀成核和生长，使得制备得到的过渡金属硫族化合物材料的形貌、厚度、晶畴尺寸在衬底上的密度分布更加均匀，具有优异的光学、电学性质和广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
二维过渡金属硫族化合物及其制备方法和器件
本专利技术涉及二维材料
，尤其是涉及一种二维过渡金属硫族化合物及其制备方法和器件。
技术介绍
石墨烯等二维材料是近年来新兴的科学研究和重大产业研发的前沿方向。2004年石墨烯的发现引起了学术界和产业界的轰动，吸引了物理学、材料学、电子电工学、化学等领域专家学者和工程技术人员的广泛关注，并在其中发现了一系列新奇物理现象及广阔的应用前景。二维材料有着与传统三维体材料截然不同的特性，因而有可能迅速在能源储存与转化、电子与光电器件、催化、传感、热管理等领域获得应用。在众多二维材料中，二维过渡金属硫族化合物具有以下特征：(1)材料表面没有悬键，即使在原子级厚度下(<1nm)，也不会对电子器件中迁移的载流子造成大的散射，进而大大减弱了材料表面态对器件性能的不利影响；(2)二维材料具有平面结构，与当前硅基半导体工艺的器件制作流程兼容性好；(3)二维材料具有良好的机械性能，可满足柔性、可穿戴等需求；(4)二维过渡金属硫族化合物具有丰富的材料种类、可调的带隙(介于0.8～2.2eV)。因此，二维过渡金属硫族化合物材料的制备逐渐引起研究人员的广泛重视。化学气相沉积(CVD)是实现二维材料可控制备的有效技术。现阶段CVD生长二维过渡金属硫化物的方法往往是采用固态源(如过渡金属氧化物和硫粉粉末)，加热使之挥发而作为反应前驱体。然而，由于过渡金属氧化物和硫粉往往具有显著不同的蒸气压，反应过程需要精确地控制温度和压力以获得稳定的前驱体气流。这使得过渡金属硫族化合物的生长往往需要高温、低压等苛刻条件，以促使足够多的气相过渡金属前驱体到达反应衬底进而参与材料生长(ACSNano,2015,9,6119)。为了解决这个问题，研究人员尝试在前驱体中加入例如3,4,9,10-二萘嵌苯四甲酸钾盐、还原氧化石墨烯(NanoLetters,2013,13,1852)、氯化钠(AppliedMaterialsToday,2015,1,60)等成核促进剂。这些添加物容易跟高熔点的前驱体(例如MoO3)反应形成易挥发的中间体，进而促进反应的进行。利用这种方法，研究人员成功合成了多达47种二维TMDCs材料，证明了这种方法的普适性(Nature,2018,556,355)。随后，科学家提出了这种盐辅助生长的气-液-固反应机理(NatureMaterials,2018,17,535)，包括以下几步：(1)在高温下，MoO3蒸气和NaCl形成Na-Mo-O的小液滴；(2)S蒸汽溶解在形成的Na-Mo-O液滴中；(3)随着液滴的移动，MoS2纳米带或者片层开始在衬底上生长。尽管TMDCs的制备已经取得较大发展，然而，利用固态前驱体生长仍存在反应源不可控的问题。这与CVD方法生长石墨烯完全不同。在石墨烯的生长过程中，稳定流量和持续供应的CH4和H2能够保证石墨烯的生长过程处于稳定可控的气流氛围中。然而，不同于气态前驱体，固体前驱体随着反应时间的增加会逐渐挥发，导致剩余的量逐渐减少。此外固体粉末挥发的速率对温度和压力十分敏感，以至于样品质量在很大程度上取决于衬底所放置的位置(ChemistryofMaterials,2014,26,6371)。实验结果发现，不同于气态和液态前驱体，固体粉末的加热挥发会在管式炉中形成前驱体的浓度梯度，以至于生长得到的MoS2形貌高度依赖衬底所放置的位置。这些因素导致固态源作为前驱体的实验具有可控性和重复性不高的问题。与此同时，质量和缺陷的控制是生长二维材料的另一个重要方面。二维材料中的微观结构(缺陷、晶界、掺杂等)对材料的电学和光学性质(载流子迁移率、载流子浓度、光致发光强度与位置等)具有重要影响。研究人员研究了二维半导体材料的电子输运规律，发现材料表面点空位可以提供施主掺杂，并诱导形成局域态，使得载流子以跃迁输运的方式穿过该局域态，这证明了材料中的短程无序缺陷对器件性能的负面影响(NatureCommunications,2013,4,2642)。目前CVD方法制备的二维过渡金属硫化物往往本征缺陷较高，限制了其在光学和电学领域的应用(ACSAppliedMaterialsandInterfaces,2018,10,40831)。综上，尽管二维过渡金属硫族化合物的制备取得了巨大的进展，但仍然存在着制备得到的晶体在衬底表面分布不均、厚度不均匀、材料缺陷多、无法实现大面积均匀分布的二维材料的可控制备等问题。因此，开发一种适用于高质量、大面积均匀分布的二维材料的制备方法具有重要的意义。
技术实现思路
本专利技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本专利技术提出一种二维过渡金属硫族化合物及其制备方法和器件，该制备方法利用液态的过渡金属源和液态的硫族源作为前驱体，从二维材料的形核及生长机理入手，构建出稳定的生长动力学体系，促进二维材料的均匀成核，从而实现高质量均匀分布二维过渡金属硫化物的制备。本专利技术所采取的技术方案是：本专利技术的第一方面，提供一种二维过渡金属硫族化合物的制备方法，包括以下步骤：取液态过渡金属源覆于衬底表面；利用载气将液态硫族源输送至所述衬底表面，所述液态硫族源为硫醇、硒醇或碲醇，进行加热反应得到二维过渡金属硫族化合物。根据本专利技术的一些实施例，所述硫醇包括丙硫醇、丁硫醇、十二硫醇中的任一种；优选地，所述硒醇包括丙硒醇、丁硒醇中的任一种；优选地，所述碲醇包括甲碲醇、乙碲醇中的任一种。上述液态过渡金属源是指在过渡金属源中加入溶剂形成液态。根据本专利技术的一些实施例，所述液态过渡金属源中的过渡金属源选自钼源、钨源、钒源、铼源、钽源、铌源、钛源、铂源、钯源中的至少一种。上述钼源包含但不限于钼酸钠、钼酸钾、钼酸铵、五氯化钼中的一种或多种。钨源包含但不限于钨酸钠、钨酸钾、钨酸铵、五氯化钨中的一种或多种。钒源包含但不限于偏钒酸钠、偏钒酸钾、偏钒酸铵、三氯化钒中的一种或多种。铼源包含但不限于高铼酸钠、高铼酸钾、高铼酸铵中的一种或多种。钽源包含但不限于钽酸钠、钽酸钾、五氯化钽中的一种或多种。铌源包含但不限于铌酸钠、铌酸钾、五氯化铌中的一种或多种。钛源包含但不限于三氯化钛。铂源包含但不限于氯化铂。钯源包含但不限于氯化钯。根据本专利技术的一些实施例，所述液态过渡金属源通过旋涂覆于衬底表面。在一些实施例中，液态硫族源通过载气鼓泡的方式输送至衬底表面。在一些实施例中，加热反应在化学气相沉积生长系统内进行。根据本专利技术的一些实施例，所述加热反应的压强为0.05～1500Torr。例如0.05Torr、1Torr、10Torr、50Torr、100Torr、200Torr、500Torr、760Torr、1000Torr、1500Torr，优选为760Torr。根据本专利技术的一些实施例，所述加热反应的反应温度为200～1200℃，例如200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、700℃、800℃、900℃、1000℃、1100℃或1200℃等。优选为500～850℃。在一些实施例中，优选地，所述加热反应的升温速率为10～本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种二维过渡金属硫族化合物的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/n取液态过渡金属源覆于衬底表面；/n利用载气将液态硫族源输送至所述衬底表面，所述液态硫族源为硫醇、硒醇或碲醇，进行加热反应得到二维过渡金属硫族化合物。/n

【技术特征摘要】
1.一种二维过渡金属硫族化合物的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
取液态过渡金属源覆于衬底表面；
利用载气将液态硫族源输送至所述衬底表面，所述液态硫族源为硫醇、硒醇或碲醇，进行加热反应得到二维过渡金属硫族化合物。


2.根据权利要求1所述的二维过渡金属硫族化合物的制备方法，其特征在于，所述硫醇包括丙硫醇、丁硫醇、十二硫醇的任一种；优选地，所述硒醇包括丙硒醇、丁硒醇中的任一种；优选地，所述碲醇包括甲碲醇、乙碲醇中的任一种。


3.根据权利要求1所述的二维过渡金属硫族化合物的制备方法，其特征在于，所述液态过渡金属源中的过渡金属源选自钼源、钨源、钒源、铼源、钽源、铌源、钛源、铂源、钯源中的至少一种。


4.根据权利要求1至3任一项所述的二维过渡金属硫族化合物的制备方法，其特征在于，所述加热反应的压强为0.05～1500Torr。


5.根据权利要求1至3任一项所述的二维过渡...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘碧录，冯思敏，成会明，谭隽阳，
申请(专利权)人：清华伯克利深圳学院筹备办公室，
类型：发明
国别省市：广东;44