低维混合维度异质结及其制备方法和用途技术

本发明专利技术公开了低维混合维度异质结及其制备方法和用途。该制备方法包括：(1)将过渡金属氧化物和碱性溶液进行混合处理，得到前驱体溶液；(2)在基底表面涂覆前驱体溶液，将得到的基底与硫族单质供给至保护性还原气氛下进行加热处理，以便在基底表面形成过渡金属硫族化合物层；(3)对过渡金属硫族化合物层进行氧等离子体处理，以便在过渡金属硫族化合物层表面形成过渡金属氧化物纳米线，得到低维混合维度异质结。该方法不仅制备工艺简单、省时且高效，而且制得的低维混合维度异质结具有较高的分子探测灵敏度和良好的环境稳定性。探测灵敏度和良好的环境稳定性。探测灵敏度和良好的环境稳定性。

【技术实现步骤摘要】
低维混合维度异质结及其制备方法和用途


[0001]本专利技术属于纳米材料
，具体而言，涉及低维混合维度异质结及其制备方法和用途。

技术介绍

[0002]表面增强拉曼散射(SERS)是一种快速、灵敏、无损的检测技术，已经在众多领域中受到广泛关注，如环境监测、化学催化、生物/医学传感等。评价SERS基底灵敏度的最重要指标之一是探测极限，即对分子的最低探测浓度。在一些领域(如临床诊断、DNA测序、化学分析等领域)中分子探测的灵敏度需要达到飞摩尔级别甚至阿摩尔级别。贵金属基纳米材料和纳米结构为该领域提供了广泛研究的可能性，然而有限的贵金属资源和其纳米材料较低的表面均匀性严重阻碍了该类材料的实际应用。近年来，二维过渡金属硫族化合物(TMDCs)材料因其原子级平坦的表面和良好的化学稳定性等优势而被广泛用于SERS基底的研究，不同于传统贵金属基纳米材料的电磁增强机制，二维TMDCs作为SERS基底的增强机制主要是化学机制，归因于探测基底和目标分子之间的电荷传输作用。但是，实现二维材料SERS基底的超灵敏分子探测仍是一项巨大的挑战。

技术实现思路

[0003]本专利技术主要是基于以下问题和发现提出的：
[0004]二维过渡金属硫族化合物为提升其性能提供了独特的整合可调性，但由于二维过渡金属硫族化合物基低维混合维度异质结的合成难度较大，阻碍了其实际应用。目前，已公开了多种制备低维混合维度异质结的方法，但在制备过程中通常需要复杂且精准的程序以及严苛的反应条件，例如，有的通过机械剥离和转移方法将一维材料和二维过渡金属硫族化合物按照一定次序和角度堆叠形成垂直异质结，但是很难实现大批量制备；有的通过采用化学气相沉积方法合成大面积过渡金属硫族化合物基低维混合维度异质结，但是该方法具有较低的可控性和可重复性。因此，急需提供一种简单且高效的制备低维混合维度异质结的方法。
[0005]本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的一个目的在于提出低维混合维度异质结及其制备方法和用途。该方法不仅制备工艺简单、省时且高效，而且制得的低维混合维度异质结具有较高的分子探测灵敏度和良好的环境稳定性。
[0006]在本专利技术的一个方面，本专利技术提出了一种制备低维混合维度异质结的方法。根据本专利技术的实施例，该方法包括：
[0007](1)将过渡金属氧化物和碱性溶液进行混合处理，得到前驱体溶液；
[0008](2)在基底表面涂覆所述前驱体溶液，将得到的基底与硫族单质供给至保护性还原气氛下进行加热处理，以便在所述基底表面形成过渡金属硫族化合物层；
[0009](3)对所述过渡金属硫族化合物层进行氧等离子体处理，以便在所述过渡金属硫
族化合物层表面形成过渡金属氧化物纳米线，得到低维混合维度异质结。
[0010]根据本专利技术上述实施例的制备低维混合维度异质结的方法，通过氧等离子体后处理工艺，能够有选择性地将二维过渡金属硫化物的目标区域转换得到一维过渡金属氧化物纳米线，得到低维混合维度异质结结构，不仅制备工艺简单高效，可实现大批量生产，而且对异质结的制备具有较好的可控性和较高的可重复性；另外，通过该方法得到的一维/二维异质结中由于一维过渡金属氧化物纳米线界面处存在应变，同时一维过渡金属氧化物和二维过渡金属硫化物之间具有较强的层间耦合作用，能够促进与表面增强拉曼散射基底与探测分子之间有效的电荷传输，从而赋予其较灵敏的分子探测性能，且具有较好的环境稳定性；此外，通过该方法得到的该低维混合维度异质结在DNA测序、激光、半导体器件、清洁能源、储能器件等领域都具有较好的应用前景。
[0011]另外，根据本专利技术上述实施例的制备低维混合维度异质结的方法还可以具有如下附加的技术特征：
[0012]在本专利技术的一些实施例中，将所述过渡金属氧化物、所述碱性溶液和碱金属盐进行所述混合处理。
[0013]在本专利技术的一些实施例中，在步骤(1)中，所述过渡金属氧化物包括三氧化钨和/或三氧化钼。
[0014]在本专利技术的一些实施例中，在步骤(1)中，所述碱性溶液为氨水溶液。
[0015]在本专利技术的一些实施例中，在步骤(1)中，所述混合处理的温度为60～80℃、时间为30～90min。
[0016]在本专利技术的一些实施例中，在步骤(1)中，所述前驱体溶液中，所述过渡金属氧化物的浓度为(1～20)mg/mL。
[0017]在本专利技术的一些实施例中，在步骤(1)中，所述过渡金属氧化物和所述金属盐的质量比为8：(1～5)。
[0018]在本专利技术的一些实施例中，在步骤(1)中，所述碱金属盐包括氯化钠、碘化钠和碘化钾中的至少之一。
[0019]在本专利技术的一些实施例中，在步骤(2)中，所述过渡金属硫族化合物层的层数为单层和/或少层。
[0020]在本专利技术的一些实施例中，在步骤(2)中，所述加热处理在管式炉中进行，将所述硫族单质置于所述基底的上气流处，控制对所述硫族单质的加热温度低于对所述基底的加热温度。
[0021]在本专利技术的一些实施例中，在步骤(2)中，所述基底的材质包括硅片、Al2O3、硅酸盐中的至少之一。
[0022]在本专利技术的一些实施例中，在步骤(2)中，所述硫族单质选自硒粉和/或硫粉。
[0023]在本专利技术的一些实施例中，在步骤(2)中，所述保护性还原气氛包括保护性气体和还原性气体，所述保护性气体包括氮气和/或惰性气体，所述还原性气体包括氢气。
[0024]在本专利技术的一些实施例中，所述加热处理包括升温阶段和保温阶段，所述升温阶段在所述保护性气体气氛下进行，所述保温阶段在所述保护性还原气氛下进行。
[0025]在本专利技术的一些实施例中，所述加热处理中，所述保护性气体的体积流量为80～240sccm。
[0026]在本专利技术的一些实施例中，所述还原性气体的体积流量为4～30sccm。
[0027]在本专利技术的一些实施例中，在所述保温阶段，所述保护性气体的体积流量与所述还原性气体的体积流量之比为(10～20)：1。
[0028]在本专利技术的一些实施例中，在步骤(2)中，所述硫族单质为硒粉，所述硒粉的加热温度为340～450℃。
[0029]在本专利技术的一些实施例中，在步骤(2)中，所述硫族单质为硒粉，所述基底的加热处理的保温温度为750～850℃、保温时间为3～10min。
[0030]在本专利技术的一些实施例中，步骤(3)中，所述氧等离子体处理的频率为40kHz、时间为2～75s。
[0031]在本专利技术的一些实施例中，所述过渡金属氧化物纳米线的长度为1～4μm、直径为0.01～0.3μm。
[0032]在本专利技术的再一个方面，本专利技术提出了采用上述方法制备得到的低维混合维度异质结。根据本专利技术的实施例，该异质结包括：基底、过渡金属硫族化合物层和过渡金属氧化物纳米线，其中，所述过渡金属硫族化合物层位于所述基底表面，所述过渡金属氧化物纳米线位于所述过渡金属硫族化合物层远离所述基底的一侧的表面上。与现有技术相比本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种制备低维混合维度异质结的方法，其特征在于，包括：(1)将过渡金属氧化物和碱性溶液进行混合处理，得到前驱体溶液；(2)在基底表面涂覆所述前驱体溶液，将得到的基底与硫族单质供给至保护性还原气氛下进行加热处理，以便在所述基底表面形成过渡金属硫族化合物层；(3)对所述过渡金属硫族化合物层进行氧等离子体处理，以便在所述过渡金属硫族化合物层表面形成过渡金属氧化物纳米线，得到低维混合维度异质结。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)满足下列条件中的至少之一：将所述过渡金属氧化物、所述碱性溶液和碱金属盐进行所述混合处理；所述过渡金属氧化物包括三氧化钨和/或三氧化钼；所述碱性溶液为氨水溶液；所述混合处理的温度为60～80℃、时间为30～90min。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，满足下列条件中的至少之一：所述前驱体溶液中，所述过渡金属氧化物的浓度为(1～20)mg/mL；所述过渡金属氧化物和所述碱金属盐的质量比为8：(1～5)；所述碱金属盐包括氯化钠、碘化钠和碘化钾中的至少之一。4.根据权利要求1～3中任一项所述的方法，其特征在于，步骤(2)中满足下列条件中的至少之一：所述过渡金属硫族化合物层的层数为单层和/或少层；所述加热处理在管式炉中进行，将所述硫族单质置于所述基底的上气流处，控制对所述硫族单质的加热温度低于对所述基底的加热温度；所述基底的材质包括硅片、Al2O3、硅酸盐中的至少之一；所述硫族单质选自硒粉和/或硫粉；所述保护性还原气氛包括保护性气体和还原性气体，所述保护性气体包括氮气和/或惰性气体，所述还原性气体包括氢气。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述加热处理包括升温阶段和保温阶段，所述升温阶段在所述保护性气体气...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕瑞涛，吕倩，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：