二维材料、二维材料合金以及二维材料异质结制备方法技术

本发明专利技术提供了一种二维材料、二维材料合金以及二维材料异质结制备方法，属于二维材料制备的技术领域。通过热蒸发镀膜方法在硅片上制备金属薄膜或者金属氧化物薄膜作为前驱体薄膜，将镀有前驱体薄膜的硅片与衬底面对面放置于蒸发舟中，利用化学气相沉积方法硫化前驱体薄膜，在衬底上生长二维过渡金属硫族化物。通过改变前驱体薄膜的厚度、硅片与衬底面对面的间距，能够得到厚度和尺寸可控的二维材料。本发明专利技术提供的制备方法普遍适用于二维材料的生长，包括二维过渡金属硒族化物和二维过渡金属碲族化物，同时能够用于二维材料合金以及异质结构材料的制备，制备工艺简单且可重复性高，能够有效的改善二维材料生长过程中的可控性和稳定性。和稳定性。和稳定性。

【技术实现步骤摘要】
二维材料、二维材料合金以及二维材料异质结制备方法


[0001]本专利技术属于二维过渡金属硫族化物的制备领域，具体涉及一种二维材料、二维材料合金以及二维材料异质结制备方法。

技术介绍

[0002]电子器件的小型化和机械柔性等关键要求将二维(Two dimensional，2D)材料的研究领域推向了前沿。原子级厚度的2D晶体涵盖了非常广泛的特性，提供了一个良好的材料平台，可以创建性能优异的多功能2D材料器件。例如：二维过渡金属硫族化物(Transition Metal Dichalcogenides，TMDs)作为2D材料的代表，具有独特的电子能带结构、高迁移率、强自旋轨道耦合和电子谷结构，在基础研究以及自旋电子学、光电子学、能量收集、柔性电子学、生物医疗等方面具有广泛的应用前景。
[0003]基于2D材料的器件应用，需要质量和性能良好的2D材料，因此2D材料的制备等问题亟待解决。在现有2D材料的生长和制备技术中，以MoS2、WS2等为代表的TMDs材料主要是通过化学气相沉积(chemical vapor deposition，CVD)方法。传统的CVD方法是将MoO3、WO3粉末和硫粉作为反应前驱体，在高温下发生化学反应并在基片上生长出MoS2、WS2。
[0004]在CVD方法生长2D材料的技术方案中，普遍采用金属或非金属固体粉末作为前驱体物质源，提供的前驱体粉末分布不均匀，气态蒸发源传输方向不可控，导致形核位点难以控制。因此，上述技术方案具有均匀性差、重复性差、单晶性差、材料层数和尺寸可控性差等缺点。除此之外，可通过磁控溅射等物理方法在衬底上沉积金属或金属氧化物层，然后利用化学气相沉积与前驱体发生化学反应得到二维材料。但该制备方法对前驱体物质量的控制要求更为严格，且对二维材料层数的可控性较差，同时可能导致衬底上前驱体的残留污染。而其他用于2D材料生长的化学溶液配比等方法，可能引起其他污染，制备的二维材料单晶质量往往较差，且对二维材料的生长可控性较差。

技术实现思路

[0005]本专利技术为了克服现有二维材料制备技术的不足，提供一种二维材料、二维材料合金以及二维材料异质结制备方法，能够实现高质量二维材料尺寸和层数的可控制备。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了一种二维材料制备方法，包括以下步骤：
[0007]根据制备的二维材料在硅片上生成对应种类和厚度的金属薄膜或金属氧化物薄膜作为前驱体薄膜；
[0008]提供第一蒸发舟和第二蒸发舟，根据制备的二维材料将对应的硫族粉状物料放置在所述第二蒸发舟中，将衬底和生成前驱体薄膜的硅片放置在第一蒸发舟中，其中，所述硅片上的前驱体薄膜和所述衬底面对面放置；
[0009]放置完成后，将所述第二蒸发舟放置于双温区管式炉的第二温区，将所述第一蒸发舟放置于所述双温区管式炉的第一温区；将所述双温区管式炉内部抽真空，并用惰性气体进行清洗后，通入定量的惰性气体；
[0010]根据制备的二维材料设定对应的所述第一温区的生长温度条件、所述第二温区的生长温度条件、所述前驱体薄膜与所述衬底的间距条件、所述惰性气体的流量条件，使得所述硫族粉状物料和所述前驱体薄膜气化形成硫族气态物料和气态前驱体，所述硫族气态物料和所述气态前驱体发生硫化反应，从而在所述衬底上生成相应的二维材料。
[0011]可选的，所述金属薄膜的种类包括Sn、In或Cd，用于制备的二维材料分别为SnS2、In2S3、CdS；所述金属氧化物薄膜的种类包括MoO3、WO3、Bi2O3、Sb2O3，用于制备的二维材料分别为MoS2、WS2、Bi2S3、Sb2S3。
[0012]可选的，所述硫族粉状物料包括硫粉、硒粉或碲粉，即可以根据实际制作的二维材料选用硫粉或者其他。
[0013]可选的，根据制备的二维材料在硅片上生成对应种类和厚度的金属薄膜或金属氧化物薄膜作为前驱体薄膜的步骤中生成的所述前驱体薄膜的厚度范围为1～100nm。
[0014]也就是说，在实际制备过程中，根据制备的二维材料的不同，可以任意在1～100nm的厚度范围内选择需要生成的前驱体薄膜的厚度，通过改变前驱体薄膜的厚度可以调控二维材料的尺寸和厚度，以此获取相应厚度的二维材料。
[0015]可选的，根据制备的二维材料在硅片上生成对应种类和厚度的金属氧化物薄膜作为前驱体薄膜的方法包括热蒸发方法，其中，所述热蒸发方法采用的热蒸发电流的范围为10～140A，通过所述热蒸发方法在所述硅片上生成前驱体薄膜的沉积速率为
[0016]也就是说，在实际制备过程中，根据需要制备的二维材料的不同，可以在10～140A的范围内选择相应的热蒸发电流。
[0017]可选的，所述第二温区的生长温度条件具体包括以第二预定加热速率加热到第二设定温度；所述第一温区生长温度条件具体包括以第一预定加热速率加热到第一设定温度，其中，所述第一温区与所述第二温区要同时达到所需设定温度。
[0018]可选的，所述第一设定温度的范围为450～1150℃，所述第二设定温度为250℃，所述第一预定加热速率为10～25℃/min，持续通入的所述惰性气体的流量为50～150sccm。
[0019]也就是说，在实际制备过程中，根据制备的二维材料可以在450～1150℃的范围内选择相应的设定温度进行制备。
[0020]可选的，根据制备的二维材料所述前驱体薄膜与所述衬底之间的间距范围为0.5～5mm；所述第一蒸发舟与第二蒸发舟之间的间距为15～25cm。
[0021]也就是说，根据制备的二维材料的不同，通过改变前驱体薄膜与衬底的间距可调控二维材料的尺寸和厚度。
[0022]可选的，所述衬底包括蓝宝石、云母或者硅片等，例如宽禁带半导体GaN、SiC，可以根据实际情况进行选择。
[0023]可选的，所述二维材料的形态包括三角形、六边形、纳米片、纳米线其中的一种或几种，可以根据实际需要进行制备。
[0024]可选的，所述惰性气体包括惰性气体、氮气、氢氩混合气其中的一种或几种，可以根据实际需要进行选用。
[0025]可选的，所述硅片具体为表层镀有300nm SiO2层的硅片，所述前驱体薄膜沉积在SiO2层的表面。
[0026]在本实施例中，将第一蒸发舟和第二蒸发舟放入双温区管式炉后进行化学气相沉
积的反应时间为3～10min，反应时间不同可以得到不同尺寸或厚度的二维材料。
[0027]相应的，本专利技术还提供了一种二维材料合金制备方法，包括以下步骤：
[0028]根据制备的二维材料合金在硅片上分别生成对应种类和厚度的包含第一金属和第二金属的薄膜作为前驱体薄膜；或者，根据制备的二维材料合金在硅片上分别生成对应种类和厚度的包含第一金属氧化物和第二金属氧化物的薄膜作为前驱体薄膜；
[0029]提供第一蒸发舟和第二蒸发舟，根据制备的二维材料合金将对应的硫族粉状物料放置在所述第二蒸发舟中，将衬底和生成前驱体薄膜的硅片放置在第一蒸发舟中，其中，所述硅片上的前驱体薄膜和所述衬本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种二维材料制备方法，其特征在于，包括以下步骤：根据制备的二维材料在硅片上生成对应种类和厚度的金属薄膜或金属氧化物薄膜作为前驱体薄膜；提供第一蒸发舟和第二蒸发舟，根据制备的二维材料将对应的硫族粉状物料放置在所述第二蒸发舟中，将衬底和生成前驱体薄膜的硅片放置在第一蒸发舟中，其中，所述硅片上的前驱体薄膜和所述衬底面对面放置；放置完成后，将所述第二蒸发舟放置于双温区管式炉的第二温区，将所述第一蒸发舟放置于所述双温区管式炉的第一温区；将所述双温区管式炉内部抽真空，并用惰性气体进行清洗后，再持续通入定量的惰性气体；根据制备的二维材料设定对应的所述第一温区的生长温度条件、所述第二温区的生长温度条件、所述前驱体薄膜与所述衬底的间距条件、持续通入的所述惰性气体的流量条件，使得所述硫族粉状物料和所述前驱体薄膜气化形成硫族气态物料和气态前驱体，所述硫族气态物料和所述气态前驱体发生硫化反应，从而在所述衬底上生成相应的二维材料。2.如权利要求1所述的二维材料制备方法，其特征在于，所述金属薄膜的种类为Sn、In或Cd，用于制备的二维材料分别为SnS2、In2S3、CdS；所述金属氧化物薄膜的种类为MoO3、WO3、Bi2O3、Sb2O3，用于制备的二维材料分别为MoS2、WS2、Bi2S3、Sb2S3。3.如权利要求1所述的二维材料制备方法，其特征在于，所述硫族粉状物料为硫粉、硒粉或碲粉其中的一种。4.如权利要求1所述的二维材料制备方法，其特征在于，所述前驱体薄膜的厚度范围为1～100nm。5.如权利要求1所述的二维材料制备方法，其特征在于，根据制备的二维材料在硅片上生成对应种类和厚度的金属氧化物薄膜作为前驱体薄膜的方法为热蒸发方法，其中，所述热蒸发方法采用的热蒸发电流的范围为10～140A，通过所述热蒸发方法在所述硅片上生成前驱体薄膜的沉积速率为6.如权利要求1所述的二维材料制备方法，其特征在于，所述第二温区的生长温度条件具体包括以第二预定加热速率加热到第二设定温度；所述第一温区生长温度条件具体包括以第一预定加热速率加热到第一设定温度，其中，所述第一温区与所述第二温区要同时达到所需设定温度。7.如权利要求6所述的二维材料制备方法，其特征在于，所述第一设定温度的范围为450～1150℃，所述第二设定温度为250℃，所述第一预定加热速率为10～25℃/min，持续通入的所述惰性气体的流量范围为50～150sccm。8.如权利要求1所述的二维材料制备方法，其特征在于，所述前驱体薄膜与所述衬底之间的间距范围为0.5～5mm；所述第一蒸发舟与第二蒸发舟之间的间距为15～25cm。9.一种二维材料合金制备方法，其特征在于，包括以下步骤：根据制备的二维材料合金在硅片上分别生成对应种类和厚度的包含第一金属和第二金属的薄膜作为前驱体薄膜；或者，根据制备的二维材料合金在硅片上分别生成对应种类和厚度的包含第一金属氧化物和第二金属氧化物的薄膜作为前驱体薄膜；提供第一蒸发舟和第二蒸发舟，根据制备的二维材料合金将对应的硫族粉状物料放置在所述第二蒸发舟中，将衬底和生成前驱体薄膜的硅片放置在第一蒸发舟中，其中，所述硅...

【专利技术属性】
技术研发人员：王佩剑，刘影，潘宝俊，蓝善贵，俞滨，
申请(专利权)人：浙江大学杭州国际科创中心，
类型：发明
国别省市：