一种氧吸附增强单层WS2荧光的方法技术

本发明专利技术属于二维材料微纳光电集成领域，具体公开了一种氧吸附增强单层WS2荧光的方法，将WS2进行物理气相沉积，得到单层WS2二维材料，随后将其置于含氧气体中处理，从而提高材料的荧光强度。本发明专利技术经过深入研究发现，将PVD合成的单层WS2二维材料进行含氧气氛的处理，有助于实现二维材料的荧光增强。本发明专利技术工艺技术简单，调控手段方便，所涉及的物理化学机理清晰，对未来纳米材料的基础研究和光电器件集成应用方面具有极大的潜力和价值。成应用方面具有极大的潜力和价值。成应用方面具有极大的潜力和价值。

【技术实现步骤摘要】
一种氧吸附增强单层WS2荧光的方法


[0001]本专利技术涉及一种氧吸附增强单层WS2荧光的方法，属于二维材料微纳光电集成领域。

技术介绍

[0002]带隙覆盖可见光到近红外范围的二维过渡金属硫族化物(TMD)在光电应用方面受到了广泛的关注。单层厚度的TMD由于其直接的带隙和与光的强相互作用而特别引人注目，在二维光发射中有很大的应用前景。
[0003]高质量的材料是获得优良性能和高性能器件的前提。目前，研究人员开发了多种制备单层二维过渡金属硫族化物的方法，如机械剥离法(ME)、化学气相沉积法(CVD)和物理气相沉积法(PVD)。相对于机械剥离法，CVD和PVD法合成的单层TMD面积大、生产率高，但其结构缺陷更多，这将引入独特的表面化学活性，从而极大的影响材料的光电性能。
[0004]在现有的研究报道中，CVD合成的单层WS2的发光不均匀性已经得到了大量的研究，以边缘发光增强现象尤为突出。而且根据合成手段和方法之间的差异，导致这种发光不均匀特性的机理也各有不同。但是，对PVD合成的WS2发光不均匀性研究还没有报导，更重要的是如何通过简单的实验工艺和技术对这种有利的发光增强现象进行可控调节，为未来光电器件集成应用提供更有优势的纳米材料。

技术实现思路

[0005]本专利技术目的在于提供一种氧吸附增强单层WS2荧光的方法，旨在首次实现PVD合成的单层WS2二维材料的可控荧光增强。
[0006]研究发现，CVD合成的单层WS2在生长过程中会因化学反应引入其他元素引起不同的结构缺陷导致荧光不均匀，呈现不同的光电性质。包括边缘荧光强度高于中心、明暗相间的荧光条纹和离散对称分布的六边形荧光图案等等，这样严重影响材料的光电集成实际应用。然而，针对PVD合成的单层WS2二维材料荧光增强手段仍属于行业性空白。针对该技术问题，本专利技术提供以下解决思路：
[0007]一种氧吸附增强单层WS2荧光的方法：将WS2进行物理气相沉积，得到单层WS2二维材料，随后将其置于含氧气体中处理，从而提高材料的荧光强度。
[0008]本专利技术经过深入研究发现，将PVD合成的单层WS2二维材料进行含氧气氛的处理，有助于实现二维材料的荧光增强。
[0009]本专利技术技术方案，创新地发现PVD合成的单层WS2二维材料的结构特性和氧之间存在特殊的相互作用，能够基于含氧气体的氧原子化学吸附边缘W原子悬挂键的机制增强边缘荧光强度，并基于含氧气体中的氧原子化学吸附在中心区域S原子空位的机制增强中心区域荧光强度。
[0010]本专利技术中，边缘荧光增强区域的发光由中性激子(A0)主导，中心未增强区域的发光由带电激子(A
‑
)主导。
[0011]作为优选，本专利技术技术方案，可以基于所述的全新的作用机制，使处理后的材料的荧光强度增加的区域由边缘向中心扩散。
[0012]本专利技术中，通过所述的技术方案，基于所述的特殊机制，实现材料的荧光强度增加的区域由边缘不断向中心扩展，从而实现边缘和中心的渐变同步增强。
[0013]本专利技术中，所述的WS2二维材料的PVD合成手段以及条件没有特别要求，可以基于现有设备和理论实现。例如，将WS2原料在载气中进行物理气相沉积。
[0014]作为优选，物理气相沉积过程的温度为1000～1200℃。
[0015]作为优选，物理气相沉积的载例如为惰性气体，例如可以是氩气。
[0016]作为优选，所述的WS2二维材料为单层二维材料。例如，所述的二维材料的厚度约为0.7nm。
[0017]本专利技术中，所述的WS2二维材料的平面形状例如可以是正三角形或者其他的形貌。其平面大小例如为几十到几百微米。
[0018]本专利技术中，可通过调控含氧气体氧分压和/或处理过程的温度，调控荧光增强区域由边缘向中心扩展的速率。
[0019]本专利技术研究还发现，对处理过程中的含氧气体或处理过程的温度的控制，能够实现荧光行为的人为调控，改善边缘向中心扩展的速率。
[0020]本专利技术研究发现，当氧浓度较低时，氧分子吸附方式为斜跨式吸附，能够在一段时间内克服解离势垒形成氧原子吸附使荧光增强；当氧浓度过高后，氧分子吸附方式呈现垂直吸附，解离势垒非常高，很难解离，不能增强荧光。
[0021]作为优选，含氧气体的氧分压为20～100％；优选为45～60％。研究发现，在所优选的氧分压下，能够意外地进一步利于材料的荧光增强；并有助于荧光由边缘向中心部分快速扩散增强。
[0022]所述的含氧气体例如可以是纯氧，或者氧气和其他气体的混合气；例如，可以是空气，或者为氮气、惰性气体中的至少一种和氧气的混合气。
[0023]所述的所述纯氧的纯度(氧分压)例如为大于等于99.99％。
[0024]本专利技术研究还发现，进一步协同控制处理过程的温度，有助于进一步改善荧光增强效果，改善荧光由边缘向中心扩展的速率以及强度。
[0025]作为优选，在含氧气体中处理过程的温度优选为室温(所述的室温例如为20～25℃)～200℃；进一步优选为50～200℃，更进一步优选为150～175℃。
[0026]本专利技术一个优选的荧光增强区域由边缘向中心扩展的方案(方案A)，处理过程的温度为20～25℃(例如为室温)，含氧气氛的氧分压为45～60％。研究发现，在所述的室温下，在所述的氧分压下处理，有助于意外地改善荧光增强区域由边缘向中心扩展的速率。
[0027]本专利技术一个优选的荧光增强区域由边缘向中心扩展的方案(方案B)，含氧气氛的氧分压为15～25％，处理过程的温度为150～175℃。研究发现，在优选的接近大气的气氛下，在所述的温度范围下，有助于意外地改善荧光增强区域由边缘向中心扩展的速率。
[0028]原理和优势
[0029]本专利技术一种氧吸附增强单层WS2荧光的方法：PVD合成的WS2二维材料边缘由W原子结尾，大量的W原子悬挂键暴露于空气中会快速化学吸附氧分子，并克服极低势垒后解离形成氧原子吸附造成边缘荧光增强。而中心区域的荧光增强由氧化学吸附至S原子空位来产
生，根据理论计算结果，从边缘到中心氧化学吸附的势垒依次增大(0.03eV至0.85eV)，因此观察到随时间推移增强区域逐步从边缘向中心扩展动态过程，并最终实现整片WS2全部增强的现象。增大氧气浓度会提高氧分子与边缘W原子悬挂键以及中心S原子空位的接触概率，从而提高荧光增强的扩展速度。但是当氧气浓度太高后(例如氧浓度为100％)，氧分子化学吸附形式改变，形成氧原子吸附的解离势垒增大(1.32eV)，反而抑制了荧光增强的扩展。加热能直接克服氧分子的解离势垒，使氧分子化学吸附更加快速的转变成氧原子吸附导致荧光增强的加速。本专利技术所提供的荧光增强方法可以快速提高单层WS2的光致发光、荧光量子产率和荧光寿命，极大的改善了其光电性能。
[0030]有益效果
[0031]1、本专利技术首次实现PVD制得的单层WS2二维材料的荧光增强，填补了行业空白。
[0032]2、本专利技术研究发现，将P本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氧吸附增强单层WS2荧光的方法，其特征在于：将WS2进行物理气相沉积，得到WS2二维材料，随后将其置于含氧气体中处理，从而提高材料的荧光强度。2.如权利要求1所述的一种氧吸附增强单层WS2荧光的方法，其特征在于：处理后的材料的荧光强度增大的区域由边缘向中心扩展。3.如权利要求2所述的一种氧吸附增强单层WS2荧光的方法，其特征在于：基于含氧气体的氧原子化学吸附边缘W原子悬挂键的机制增强边缘荧光强度，并基于含氧气体中的氧原子化学吸附在中心区域S原子空位的机制增强中心区域荧光强度。4.如权利要求1所述的一种氧吸附增强单层WS2荧光的方法，其特征在于：物理气相沉积过程的温度为1000～1200℃。5.如权利要求1所述的一种氧吸附增强单层WS2荧光的方法，其特征在于：所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘安练，骆子煜，陈舒拉，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：