一种二维钼-钨-硫垂直异质结构的制备方法技术

本发明专利技术公开一种二维钼

【技术实现步骤摘要】
一种二维钼
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钨
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硫垂直异质结构的制备方法


[0001]本专利技术属材料制备
，尤其涉及一种二维钼
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钨
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硫垂直异质结构的制备方法。

技术介绍

[0002]超薄二维半导体材料，如过渡金属二硫化物(TMDs)、黑磷、氮化硼(BN)等，具有优异的光学和电学特性，从而使得它们在场效应晶体管、光探测器、发光二极管、能源等领域有着可观的应用前景。与块材相比，以二硫化钼(MoS2)和二硫化钨(WS2)为代表的薄层二维TMDs具有非常优异的光、电学性能，如层数相关的间接
‑
直接带隙转变、可调带宽、高的光发射效率、丰富的激子、高的电子迁移率、良好的柔性。然而，单一的二维TMDs材料很难实现层间激子的调控以及电荷转移的控制，从而极大地限制了它们在高性能、低能耗超薄光电子器件领域的应用。为了深入研究材料本征光电性质并拓展其应用领域，广大科研工作者将目光投向了二维TMD基垂直异质结构。
[0003]二维TMD基垂直异质结构通常是由两种及以上二维材料基于层间范德华力堆叠而形成。由于TMD二维材料表面无悬挂键，该异质结构在制备过程中无需考虑晶格失配度的问题，从而使得TMD垂直异质结构的构建及其性能研究成为目前二维材料最为热门的方向之一。二维TMD垂直异质结构呈现出许多新的现象，如高的光吸收、可调层间激子、以及超快和高效的电荷转移，从而使得范德华垂直异质结构在下一代高性能、低功耗光电子器件领域有着巨大的应用潜力。
[0004]到目前为止，已有研究工作主要集中在机械剥离堆叠垂直异质结构，以及多步(两步或三步)化学气相沉积法研究不同垂直异质结构的构建，如MoS2/WSe2,WSe2/MoSe2,MoS2/WS2,WS2/MoSe2以及ReS2/WS2，并探索了它们在光、电学性能方面所具有的新奇现象。截止目前，已报道MoS2/WS2二维垂直异质结构均是由MoS2为底层、WS2为顶层组合而成，是由于常用的MoO3粉末的蒸发温度低于WO3粉末，并且MoS2的生长温度要低于WS2，导致了MoS2晶体要早于WS2晶体的生长。然而，利用一步化学气相沉积法制备二维硫化钨/硫化钼垂直异质结构，其中以单层硫化钨为底层、单层硫化钼为顶层，还尚未有报道。因此，还有待开发一种简单可行的途径实现二维钼
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钨
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硫垂直异质结构的制备，并能研究其激子发光特性，从而满足其在高效率、低功耗超薄光电子器件领域的应用。

技术实现思路

[0005]为了克服现有技术的缺点与不足，本专利技术的首要目的在于提供一种二维钼
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钨
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硫垂直异质结构的制备方法，通过一步化学气相沉积法实现以二维硫化钨为底层、硫化钼为顶层的硫化钨/硫化钼垂直异质结构的制备。该方法是基于钼/钨源蒸发温度的不同，以及硫化钼/硫化钨生长温度的不同，从而利用一步化学气相沉积法实现二维硫化钨/硫化钼垂直异质结构的生长；同时该方法操作工艺简单、成本低、无催化剂且对环境友好。
[0006]为了解决现有技术存在的技术问题，本专利技术的技术方案为：该制备二维钼
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钨
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硫
垂直异质结构的方法，包括以下具体步骤：
[0007]将硫源、钼源、钨源、生长衬底采用化学气相沉积法，通过控制衬底与钨源之间空间使钼源、钨源与硫源蒸气反应，并在生长衬底上制备得到以单层WS2为底层、单层MoS2为顶层的二维WS2/MoS2垂直异质结构；其中钼源采用金属钼箔，钨源为纳米级三氧化钨粉末，硫源为硫粉；
[0008]所述化学气相沉积法是在双温区水平管式炉中进行，按照气流方向依次设定为硫源区和沉积区两个温区，其中硫源区放置硫源，沉积区放置钼源、钨源、生长衬底，钨源平铺在钼源上方，衬底置于钨源上方，衬底与钨源之间的垂直间距为1.1
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1.3毫米；整个过程管式炉内抽真空通入氩气，保温进行沉积反应，沉积完毕后随炉冷却至室温。
[0009]作为优选，先将衬底所在温区升温至预热温度，再加热硫源所在温区，使衬底和S源所在温区同时达到各自的预设温度；更为优选，预热温度为540
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560℃，衬底所在温区的预设温度为910
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920℃，硫源温区的预设温度为260
‑
280℃；
[0010]作为优选，三氧化钨粉末的质量纯度为99.5％，其粒径小于100纳米，金属钼箔的质量纯度99.95％,厚度0.1毫米,尺寸1.5厘米
×
3厘米，硫源的质量纯度为99.99％；
[0011]作为优选，生长衬底为Si/SiO2的硅衬底，是不含有催化剂及种子层的硅片；
[0012]作为优选，生长衬底在放置石英舟前进行洗净烘干，具体是将Si/SiO2衬底在丙酮溶液中浸渍10
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15分钟，再在乙醇溶液中超声清洗10
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15分钟，随后用去离子水冲洗3
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5次，最后利用高纯氮气吹干备用；
[0013]作为优选，两个温区的间距为16
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18厘米；
[0014]作为优选，氩气的流量为45立方厘米/分钟；
[0015]作为优选，硫源位于管式炉靠近进气端，硫源由氩气输送到衬底所在的沉积区；
[0016]作为优选，沉积反应时间为15
‑
20分钟；
[0017]本专利技术利用拉曼光谱仪对二维WS2/MoS2垂直异质结构的拉曼和光致发光特性进行测定。垂直异质结构中的MoS2和WS2晶体均为单层，呈现出层间电荷转移和层间激子发射的发光特性，从而可实现在超薄光电子
的应用。
[0018]本专利技术二维WS2/MoS2垂直异质结材料，是由两种不同尺寸的晶体堆叠而成的三角形，可作为晶体管的沟道材料应用于超薄电子器件领域。
[0019]与现有技术相比，本专利技术的优点在于：
[0020](1)本专利技术实现了以二维单层WS2为底层、二维单层MoS2为顶层的二维钼
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钨
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硫垂直异质结构的制备。
[0021](2)本专利技术提供的方法可以拓展到其它二维垂直异质结构的制备。根据实验要求选择合适的材料源和生长温度，利用类似的方法在不同衬底上合成其它二维垂直异质结构。
[0022](3)本专利技术所述制备方法选用纳米级WO3粉末和高纯金属Mo箔片作为W、Mo源，基于Mo、W材料源的蒸发温度不同，以及MoS2和WS2晶体的生长温度不同，成功实现了二维WS2/MoS2垂直异质结构材料的生长。
[0023](4)本专利技术二维钼
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钨
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硫垂直异质结构呈现出显著的层间电荷转移和层间激子发光，在高效光探测器领域中有潜在的应用。
附图说明
[0024]图1为本专利技术所述二维钼
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钨
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硫垂直异质结构制备所用装置的示意图；
[002本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种二维钼
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钨
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硫垂直异质结构的制备方法，其特征在于该方法具体是：将硫源、钼源、钨源、生长衬底采用化学气相沉积法，通过控制衬底与钨源之间空间使钼源、钨源与硫源蒸气反应，并在生长衬底上制备得到以单层WS2为底层、单层MoS2为顶层的二维WS2/MoS2垂直异质结构；其中钼源采用金属钼箔，钨源为纳米级三氧化钨粉末，硫源为硫粉；所述化学气相沉积法是在双温区水平管式炉中进行，按照气流方向依次设定为硫源区和沉积区两个温区，其中硫源区放置硫源，沉积区放置钼源、钨源、生长衬底，钨源平铺在钼源上方，衬底置于钨源上方。2.如权利要求1所述的一种二维钼
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钨
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硫垂直异质结构的制备方法，其特征在于衬底与钨源之间的垂直间距为1.1
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1.3毫米。3.如权利要求1所述的一种二维钼
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钨
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硫垂直异质结构的制备方法，其特征在于双温区水平管式炉中先将衬底所在温区升温至预热温度，再加热硫源所在温区，使衬底和S源所在温区同时达到各自的预设温度；预热温度为540
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560℃，衬底所在温区的预设温度为910
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920℃，硫源温区的预设温度为260
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280℃。4.如权利要求1所述的一种二维钼
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钨
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硫垂直异质结构的制备方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈飞，姜夏，苏伟涛，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：