一种制备二维纳米材料同质结和异质结的方法技术

本发明专利技术提供了一种制备二维纳米材料同质结和异质结的方法,首先利用分子束外延技术在超润滑基底上生长高质量的单层岛状二维材料，其次利用扫描隧道显微镜的针尖操纵技术,并采用平面拼接和层间堆叠这两种方式中的任意一种方式对二维材料进行处理，以在纳米尺度上实现对同质结和异质结的可控制备。本发明专利技术流程简单，能改良现有的同质结和异质结制备方法，获得高质量、无污染、界面原子结构精准可控、层间转角精确可调的二维材料同质结和异质结样品，适于推广应用。适于推广应用。适于推广应用。

【技术实现步骤摘要】
一种制备二维纳米材料同质结和异质结的方法


[0001]本专利技术涉及二维材料制备
，具体涉及一种制备二维纳米材料同质结和异质结的方法。

技术介绍

[0002]石墨烯的发现以及其优异的物理性质和潜在的应用价值激发了人们对二维原子材料的探索。随着近几年二维材料可控制备技术的不断发展，越来越多的新型二维材料被成功地制备并且在光学、电学、磁学、机械等方面展示出优异的性能。通过将单层二维材料进行平面拼接或层间堆叠，可以实现对二维材料同质结和异质结的构筑，这不仅为二维材料的性质调控提供了全新的自由度，而且有望实现许多单层二维材料所不具备的性质，如超导态、拓扑绝缘态、量子反常霍尔效应、奇异金属态、陈绝缘体、铁电性等，为探索新奇量子物态提供了前所未有的平台。例如，两层石墨烯通过范德瓦尔斯力堆叠，当层间转角接近1.1
°
时，可以实现关联绝缘态
‑
超导态的转变；单层过渡金属硫族化合物WS2和MoS2通过面内拼接，不仅可以形成本征的p
‑
n结，而且可以使局域的光致发光信号显著增强，对未来信息电子器件的发展具有重要的意义。
[0003]传统的机械剥离及转移技术和外延生长技术都可以实现对二维材料同质结和异质结的构筑。机械剥离及转移技术通过利用光学显微镜对操纵过程实时监测，将二维材料以特定的角度可控地堆叠，可以实现对同质结和异质结的构筑。然而，在这个过程中不可避免地会引入杂质或者断裂缺陷，且可用于转移的材料尺寸通常要超过亚微米量级，这大大限制了对纳米尺度同质结和异质结的构筑。基于外延生长技术可以实现对二维材料的平面拼接和层间堆叠，但是这个过程通常是随机的，几乎无法实现对同质结和异质结的可控构筑，更重要的是，交界处原子的排列方式多种多样难以控制，这大大限制了对其进一步探索和应用。
[0004]目前，在纳米尺度上可控制备二维材料同质结和异质结的方法至今还没有实现。作为新奇量子物态研究中一类重要的理想模型体系，二维纳米材料同质结和异质结的可控构筑是对其深入探索的前提。因此，实验上通过一种简单、可控的方式制备高质量二维纳米材料同质结和异质结的方法显得尤为重要。

技术实现思路

[0005]为克服目前二维材料同质结和异质结制备过程中存在的污染、断裂缺陷、尺寸限制、精准构筑难等问题，本专利技术提供了一种在纳米尺度上制备二维材料同质结和异质结的方法，目的在于改良现有的同质结和异质结制备方法，获得高质量、无污染、界面原子结构精准可控、层间转角精确可调的二维材料同质结和异质结样品。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术提供的一种制备二维纳米材料同质结和异质结的方法,首先利用分子束外延技术在超润滑基底上生长高质量的单层岛状二维材料，其次利用扫描隧道显微镜的针尖操纵技术,并采用平面拼接和层间堆叠这两种方式中的任意一种方
式对二维材料进行处理，以在纳米尺度上实现对同质结和异质结的可控制备。
[0007]所述制备二维纳米材料同质结和异质结的方法,其中，具体包括以下步骤：(1)在真空环境下，利用分子束外延技术，制备单层岛状二维材料；(2)对上述步骤(1)制得的单层岛状二维材料进行表面处理；(3)通过扫描隧道显微镜表征上述步骤(2)得到的单层岛状二维材料的形貌和结构并确定其空间位置；(4)利用扫描隧道显微镜的针尖操纵技术，通过将上述步骤(2)得到的单层岛状二维材料平移和旋转，实现对二维纳米材料同质结和异质结的制备。
[0008]所述制备二维纳米材料同质结和异质结的方法,其中，所述步骤(1)的具体方法为：在真空环境下，利用分子束外延技术，将高纯度的硒原子和铌原子以大于20:1的比例蒸发到双层石墨烯覆盖的碳化硅衬底上，实现对单层岛状二硒化铌材料的初步制备。
[0009]所述制备二维纳米材料同质结和异质结的方法,其中：在二维纳米材料外延生长过程中，通过调节基底温度,可制得二硒化铌的单层八面体构型和三棱柱构型。
[0010]所述制备二维纳米材料同质结和异质结的方法,其中，所述步骤(2)的具体过程为：在硒原子的氛围中将制备的单层岛状二硒化铌材料进行高温退火处理，以降低二硒化铌内部和边缘的缺陷结构。
[0011]一种制备二维纳米材料同质结和异质结的方法,首先利用扫描隧道显微镜在恒流模式下扫图，确定单层岛状二维材料的的初始位置；然后将针尖放在需要操纵的单层岛状二维材料的边缘外侧，通过加大隧穿电流并减小电压，使针尖与衬底之间的距离减小至不超过单层岛状二维材料的厚度；接着关掉反馈系统，保持针尖的高度恒定，设定针尖移动的轨迹，使其经过单层岛状二维材料的一个角，此时单层岛状二维材料会发生原位旋转，以类似的方式设定针尖移动的轨迹，使其垂直于单层岛状二维材料的一个边，此时单层岛状二维材料会发生平移，实现在纳米尺度上对单层岛状二维材料面内同质结或异质结的构筑。
[0012]所述制备二维纳米材料同质结和异质结的方法,其中：构筑的面内同质结或异质结还可通过扫描隧道显微镜直观地成像。
[0013]一种制备二维纳米材料同质结和异质结的方法,基于扫描隧道显微镜的针尖操纵技术，在纳米尺度上构筑以二硒化铌为代表的范德瓦尔斯同质结和异质结；主要过程为：首先利用扫描隧道显微镜在恒流模式下扫图，确定单层岛状二维材料的初始位置；然后将针尖放在需要操纵的单层岛状二维材料的边缘外侧，通过加大隧穿电流并减小电压，使针尖与衬底之间的距离减小至不超过单层岛状二维材料的厚度；接着关掉反馈系统，保持针尖的高度恒定，设定针尖移动的轨迹，使其垂直于单层岛状二维材料的一个边并指向另外一个近邻的单层岛状二维材料，此时被操纵的单层岛状二维材料被推至近邻单层岛状二维材料的上面，此过程中单层岛状二维材料也会发生旋转，以实现在纳米尺度上对单层岛状二维材料层间范德瓦尔斯同质结和异质结的构筑。
[0014]所述制备二维纳米材料同质结和异质结的方法,其中：构筑的范德瓦尔斯同质结和异质结中任意一个,可通过扫描隧道显微镜直观地成像。
[0015]采用上述技术方案，本专利技术具有如下有益效果：
[0016]本专利技术制备二维纳米材料同质结和异质结的方法流程简单，可获得高质量、无污染的二维材料同质结和异质结，可获得界面原子结构精准可控的二维材料面内同质结和异质结，可获得层间转角精准可调的二维材料范德瓦尔斯同质结和异质结。
[0017]本专利技术通过改良现有的同质结和异质结制备方法，能获得高质量、无污染、界面原子结构精准可控、层间转角精确可调的二维材料同质结和异质结样品，适于推广与应用。
附图说明
[0018]为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0019]图1为本专利技术针尖操纵单层岛状二维材料旋转过程的示意图；
[0020]图2为本专利技术针尖操纵单层岛状二维材料平移过程的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种制备二维纳米材料同质结和异质结的方法,其特征在于,首先利用分子束外延技术在超润滑基底上生长高质量的单层岛状二维材料，其次利用扫描隧道显微镜的针尖操纵技术,并采用平面拼接和层间堆叠这两种方式中的任意一种方式对二维材料进行处理，以在纳米尺度上实现对同质结和异质结的可控制备。2.如权利要求1所述的制备二维纳米材料同质结和异质结的方法,其特征在于，具体包括以下步骤：(1)在真空环境下，利用分子束外延技术，制备单层岛状二维材料；(2)对上述步骤(1)制得的单层岛状二维材料进行表面处理；(3)通过扫描隧道显微镜表征上述步骤(2)得到的单层岛状二维材料的形貌和结构并确定其空间位置；(4)利用扫描隧道显微镜的针尖操纵技术，通过将上述步骤(2)得到的单层岛状二维材料平移和旋转，实现对二维纳米材料同质结和异质结的制备。3.如权利要求2所述的制备二维纳米材料同质结和异质结的方法,其特征在于，所述步骤(1)的具体方法为：在真空环境下，利用分子束外延技术，将高纯度的硒原子和铌原子以大于20:1的比例蒸发到双层石墨烯覆盖的碳化硅衬底上，实现对单层岛状二硒化铌材料的初步制备。4.如权利要求3所述的制备二维纳米材料同质结和异质结的方法,其特征在于：在二维纳米材料外延生长过程中，通过调节基底温度,可制得二硒化铌的单层八面体构型和三棱柱构型。5.如权利要求2所述的制备二维纳米材料同质结和异质结的方法,其特征在于，所述步骤(2)的具体过程为：在硒原子的氛围中将制备的单层岛状二硒化铌材料进行高温退火处理，以降低二硒化铌内部和边缘的缺陷结构。6.一种制备二维纳米材料同质结和异质结的方法,其特征在于：首先利用扫描隧道显微镜在恒流模式下扫图，确定...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈瑶瑶，张钰，张全震，刘立巍，王业亮，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：