一种单层MoS2的带隙调控方法技术

本发明专利技术公开了一种单层MoS2的带隙调控方法，属于新型半导体材料及应用技术领域。它包括采用沉积工艺参数的差异获得不同元素含量和具备不同机械性能的TiAlSiN涂层，再将TiAlSiN涂层作为基底材料，来探讨不同Ti含量的TiAlSiN涂层对MoS2的带隙调控作用，结果发现当TiAlSiN涂层中Ti含量增加时，MoS2的带隙逐渐降低，从而实现了通过MoS2的带隙调控以增加MoS2单层的应用领域和研究范围的技术目的。单层的应用领域和研究范围的技术目的。单层的应用领域和研究范围的技术目的。

【技术实现步骤摘要】
一种单层MoS2的带隙调控方法
[0001]本专利技术涉及二维材料的带隙调控方法，属于新型半导体材料及应用
，具体地涉及一种单层MoS2的带隙调控方法。

技术介绍

[0002]过渡金属硫化物发现在石墨烯之后，其诸多优异特性在实验中也相继被发现和利用，比如优异的力学、电学、光学等特性，这使得其可以在化学、催化、电子、机械等方面具备广泛的应用。并且在研究及应用石墨烯后，人们也联想到过渡金属硫化物或许也能被减薄到当层厚度，由此研究工作者开始广泛的关注单层过渡金属硫化物材料。
[0003]其实早在2005年，Geim和Novoselov两位国际上著名的科学家就已经分离出二维的MoS2，当时大家都觉得它资质平庸，没有深入探究，直到2010年，Kis在Nature Nanotechnology上宣布成功制造出首批基于单层MoS2材料的晶体管，并预测其有望发展成为比传统硅晶体管更节能的小尺寸低电压柔性电子器件，这一突破性进展终于让大家真正开始关注石墨烯以外的二维材料。
[0004]MoS2属于典型的过渡金属硫化物，其为具有金属光泽的黑色固体，不溶于水，溶于王水和浓硫酸，它生物莫氏硬度为1～1.5，密度为4.7～4.8g/cm3，体相MoS2是典型的层状物质，每层都呈现出三明治式结构，即两层硫原子中间夹杂一层Mo原子，由于体相MoS2层与层之间的范德华力很微弱也很容易断开，所以当体相MoS2受到横向切应力作用时，MoS2层与层之间很容易发生横向的滑动，从而使体相MoS2显示出很低的摩擦系数。同时，体相MoS2是个间接带隙半导体，其带隙宽度约为1.29eV。
[0005]单层MoS2的结构如说明书附图图1所示，两层S原子中间夹杂一层Mo原子，每层原子都是类石墨烯的六边形结构，两层原子构成了一个MoS2单层，单层MoS2具有大的比表面积，以及较高的表面活性，单层MoS2厚度为3.28A。Mo
‑
S键长为2.40A，比体相MoS2中的键长略短，实验和计算发现单层MoS2是直接带隙半导体，而且实验测得单层MoS2的带隙约为1.90eV，通过不同方法计算得到的带隙值为1.50～2.70eV.
[0006]目前学者们对单层MoS2的各种物理化学性质进行了广泛的计算研究，包括应力应变对单层MoS2的电子结构和光学性能的影响，通过元素替换或者吸附等方法系统的研究了多种元素掺杂单层MoS2，单层MoS2的电学和磁性能的变化情况，不同价态的空位对单层MoS2电学及光学性能的影响，单层MoS2的电子—声子耦合效应等等。并且在尝试用单层MoS2替代石墨烯的研究进程中，学者们已经制备出来各种单层MoS2光电器件。如单层MoS2晶体管、单层MoS2集成电路、单层MoS2传感器等。
[0007]同时为更好的实现单层MoS2的应用，现有技术还研究了对单层MoS2的带隙调控，目前已报道的二维材料带隙调控方法主要分为物理调控和化学调控两大类。物理调控一般是利用物理外场改变已制备二维材料的晶格结构或能带结构，但是这类方法通常难以实现均匀调节并且需要持续的外场刺激。化学调控是利用掺杂、合金化等手段来改变二维材料的化学组成，但是这类方法难以实现连续调节并且无法再恢复材料原本的性质。
[0008]并且现有技术也未报道采用涂层作为衬底对单层MoS2进行带隙调控。

技术实现思路

[0009]为解决上述技术问题，本专利技术公开了一种单层MoS2的带隙调控方法，该调控方法通过调节TiAlSiN涂层中Ti元素的含量实现对单层MoS2带隙的调控，从而实现了增加MoS2单层的应用领域和研究范围的技术目的。
[0010]为实现上述目的，本专利技术公开了一种单层MoS2的带隙调控方法，包括如下步骤：
[0011]1)选择TiAlSiN涂层作为基底；
[0012]2)将单层MoS2转移到步骤1)涂层基底表面；
[0013]3)控制TiAlSiN涂层中Al原子与Ti原子的摩尔比，并借助拉曼光谱仪检测TiAlSiN涂层对MoS2电子能带结构的影响。
[0014]进一步地，步骤2)中，所述单层MoS2为采用机械剥离法在粘弹性基底Gel
‑
film上制得。
[0015]进一步地，步骤2)中，采用干法转移法将单层MoS2转移到步骤1)涂层基底表面。
[0016]进一步地，所述TiAlSiN涂层中Al原子与Ti原子的摩尔比1：(0.5～2)。
[0017]进一步地，所述TiAlSiN涂层中Ti含量逐渐增加时，MoS2的带隙值有逐渐降低趋势。
[0018]进一步地，所述TiAlSiN涂层厚度为1～2μm。
[0019]进一步地，所述TiAlSiN涂层对单层MoS2的带隙调控值为0.1～0.4eV。
[0020]有益效果：
[0021]本专利技术制备了具有不同Ti含量的TiAlSiN涂层，采用干法转移的方法将单层MoS2分别转移到TiAlSiN涂层基底上，测试了单层MoS2的光致发光光谱。实验结果表明当TiAlSiN涂层基底中Ti元素的含量增加时，MoS2的带隙逐渐降低，可以通过调节TiAlSiN涂层中Ti元素的含量实现对单层MoS2带隙的调控，增加了单层MoS2的应用领域和研究范围。
附图说明
[0022]图1为MoS2的结构示意图，其中，图1a为单层俯视图，图1b为侧视图；
[0023]图2为TiAlSiN涂层表面单层MoS2光学显微图像；
[0024]图3为不同AlTi比TiAlSiN基底上单层MoS2的PL光谱。
具体实施方式
[0025]本专利技术探究了MoS2的带隙调控方法，这是因为作为二维的半导体纳米电子器件，MoS2的带隙具有重要意义，对带隙的调控作用会增加它的应用价值和应用领域。
[0026]本专利技术涉及的调控方法包括如下过程：
[0027](1)具备不同Ti含量的TiAlSiN涂层的制备并将其作为基底；
[0028]采用离子束辅助沉积技术在Si(100)单晶片上制备了1～2μm左右，具有不同Al:Ti比例的TiAlSiN涂层。基底材料在镀膜前分别用丙酮、无水乙醇中超声清洗20min，吹干备用。沉积涂层前，采用辅助源对基底进行离子轰击，清除表面污物及活化基底表面。涂层沉积时选用的靶材为Al:Ti比分别为2:1、1:1和1:2的TiAl(99.999％)合金靶，涂层沉积时采用两个溅射源分别轰击不同比例的TiAl合金靶和Si(99.999％)靶，同时用辅助源进行辅助轰击。沉积参数如表1所示，沉积时间为6小时。涂层沉积过程中分别将Si(100)单晶片基底
摆放在样品台不同位置，由于靶材含量的区别和距离靶材位置的不同，可以得到一系列具有不同含量比例的TiAlSiN涂层，每个比例的TiAl合金靶选取6个固定位置，因此得到18种不同元素含量比例的TiAlSiN涂层，从中选取Si含量保持在9at.％左右，Al:Ti比分别为1:0.5、1:0.8、1:1和1:2的四种TiAlSiN涂层作为单层MoS2的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单层MoS2的带隙调控方法，其特征在于，包括如下步骤：1)选择TiAlSiN涂层作为基底；2)将单层MoS2转移到步骤1)涂层基底表面；3)控制TiAlSiN涂层中Al原子与Ti原子的摩尔比，并借助拉曼光谱仪检测TiAlSiN涂层对MoS2电子能带结构的影响。2.根据权利要求1所述一种单层MoS2的带隙调控方法，其特征在于，步骤2)中，所述单层MoS2为采用机械剥离法在粘弹性基底Gel
‑
film上制得。3.根据权利要求2所述一种单层MoS2的带隙调控方法，其特征在于，步骤2)中，采用干法转移法将单层MoS2转移到步骤1)涂层...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏康，尹卓文，刘振兴，宋森杰，
申请(专利权)人：石家庄铁道大学，
类型：发明
国别省市：