【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及二维材料制备，尤其涉及一种限域薄层二维材料的制备方法及应用。
技术介绍
1、二维材料因其具有强层间相互作用，原子级平整的膜层厚度，复杂的电子能带结构，柔性等优点而表现出一系列丰富且新奇的物理化学性能，在能源，存储，可穿戴设备等领具有巨大的应用前景。其在低维尺度下独特的电学和磁学的性质所带来的新奇物理现象激发了自旋电子学领域的研究热潮，有望实现集成度更高，速度更快的非易失性存储器。自2004年英国物理学家geim等人通过胶带反复对粘这种机械剥离的方式成功从石墨烯块体中材料分离出薄层石墨烯以来，各种各样的二维材料通过这种解理方式实现了对二维材料物理性质的探测和深入研究。
2、专利技术cn 110846621 a公开了一种制备大面积单层二碲化钒材料的两步气相方法，该制备过程分为两步：先用化学气相沉积、热蒸发或溅射法三种化学或物理气相方法制备，在尺寸为1～100cm2的硅、二氧化硅、二氧化钛、三氧化二铝或碳化硅衬底上沉积厚度为2～50nm钒氧化物薄膜，沉积温度为100～500℃，沉积时间为10分钟～24小时；再在惰性气体或氢气气氛下，将沉积有钒氧化物薄膜的衬底与单质碲进行化学反应，反应温度为550～800℃，反应气压为100～800帕，反应时间为1分钟～30分钟，自然冷却后得到大面积单层二碲化钒材料。该专利技术两步气相方法的可控性较低，难以得到预定设计的限域二维材料，并且沉积及反应条件涉及高温高压，生产难度大，大规模推广成本高，此外，外层的二碲化钒直接与空气接触，其在剥离及转移过程容易出现一系列氧化变质等界面问
3、专利技术cn 108914062 a公开了一种大面积过渡金属硫化物薄膜的制备方法，大面积制备方法包括如下步骤：1 )通过光刻在衬底上曝出所需要的图形，将过渡金属通过镀膜工艺沉积到衬底上形成过渡族金属薄膜；2)在cvd中，对过渡族金属薄膜进行硫化反应；所述过渡金属硫化物化学式为ab2，其中a为过渡族金属元素，b为硫族元素，优选a为钼、铂、钨、铼或钯，b为硫、硒或碲。该专利技术利用光刻及镀膜技术，通过沉积一定厚度和图形的过渡金属薄膜到衬底上，然后利用熔融状态蒸发的硒原子在一定的温度和压强下与沉积的铂金属反应，最终得到厚度可调的大面积、图形化的二硒化铂薄膜。然而，该专利技术采用光刻赋形，镀膜沉积过渡金属薄膜的方式，能耗高，效率低，之后的硫化反应条件严苛，控制难度大，产品均匀性较低，并且同样存在表层反应物氧化变质等界面问题。
4、因此，如何对现有薄层二维材料的制备方法进行改进，以制备大面积且图形可控、厚度均匀的高质量薄层二维材料，并且能够防止制备完成后转移过程中不发生界面氧化，是本领域技术人员亟待解决的问题。
技术实现思路
1、针对上述现有技术中存在的缺陷，本专利技术提供了一种限域薄层二维材料的制备方法及应用，以实现面积、图形可控制的薄层二维材料，同时有效防止二维材料在剥离-转移过程中发生界面氧化等问题。
2、第一方面，本专利技术提供一种限域薄层二维材料的制备方法，包括以下步骤：
3、s1.在衬底上定位纳米材料
4、1.1 将纳米材料分散于溶剂中形成悬浮液;
5、1.2 将悬浮液分散在衬底上，所述纳米材料被衬底吸附；
6、1.3 去除溶剂，以使所述纳米材料定位在衬底上；
7、s2.在纳米材料限定的区域内，采用物理气相沉积方法原位生长金属膜；
8、s3.将衬底升温至150-220℃，退火处理3-60min，纳米材料与金属膜受控反应形成限域薄层二维材料。
9、本专利技术通过将纳米材料充分分散于溶剂中形成悬浮液，之后利用旋涂、转移等方式将悬浮液分散在衬底上，例如使用吸管吸取悬浮液，利用溶剂的高表面张力在吸管出口处形成液滴，将液滴以类似于“书写”的方式划过衬底，衬底表面分子与溶剂分子相互排斥，纳米材料因与衬底之间的分子间作用力而被吸引在衬底之上，溶剂分子由于表面张力而脱离纳米材料继续保持液滴的形状，纳米材料便成功的分散在“书写”路径中，最后，将液滴直接接触吸水性的材料中结束“书写”过程。其中，纳米材料的分散度由悬浮液的浓度决定，分散位置可进行随意编辑“书写”路径。通过上述原理及方法控制纳米材料的分布从而达到后续二维材料限域沉积的目的。
10、此外，本专利技术整体具有制备条件温和的优点，首先采用成本较低的湿化学法制备巨量大面积、可图形化的纳米材料，在衬底表面的分散方式简单可控，本专利技术可图形化的纳米材料做广义理解，包括由纳米材料部分或全部覆盖衬底表面的形式，包括且不限于形成简单或复杂图案的方式。在所述纳米材料所对应的区域内，限域原位生长金属膜之后，通过低温退火能够有效且受控的制备出具有均质结构和/或异质结构碲基二维材料。
11、优选的，所述衬底的材料选自硅基片、氧化物衬底、玻璃衬底、陶瓷衬底、pet柔性衬底中的一种；和/或
12、所述物理气相沉积技术包括磁控溅射、分子束外延、脉冲激光沉积、电子束蒸发、原子层沉积中的至少一种。
13、通过调节pvd过程中的参数，如沉积速率、时间等，可以实现对金属膜厚度的精确控制，其对于二维材料的性能至关重要。同时pvd方法可以在衬底上形成良好的机械和化学键合，确保了金属膜及其衍生的二维材料与衬底之间的良好附着性。
14、优选的，所述纳米材料包含碲纳米材料，纳米材料的形状包括纳米颗粒、纳米线、纳米片、纳米网中的至少一种；
15、金属膜包含cu、ti、fe、co、ni、mn、pt、au、ta、cr、v、se、nb、w、mo、pd中的至少一种金属元素。其中，单个金属膜的沉积厚度约0.2-2nm，更优选0.5-1nm。当金属膜的沉积厚度小于0.2nm时，金属膜比较薄，做异质结的控制难度较大，质量难以保证；当厚度大于2nm时，将明显提高原料成本，不利于大规模使用。
16、优选的，所述碲纳米材料通过以下步骤制备：
17、（1）将亚碲酸钠和聚乙烯吡咯烷酮加入超纯水中，搅拌30-60min，得到混合溶液；
18、（2）将水合肼和氨水加入所述混合溶液中，搅拌均匀，得到反应溶液；
19、（3）将反应溶液放入聚四氟乙烯内胆，并放入反应釜中，升温至160-200℃，反应4-60h，得到碲纳米材料。
20、优选的，受控反应生成mxtey均质结构和/或te/mxtey异质结构，m为金属膜中所含的金属元素，y/x≥1。举例的，所述mxtey具体可包括mte、mte2、m2te3、m3te4等。
21、优选的，通过调控物理气相沉积方法中的沉积原子能量、退火温度、退火时间中的至少一个因素，对限域薄层二维材料中mxtey均质结构与te/mxtey异质结构的厚度比例进行调整。
22、本专利技术通过调控物理气相沉积法中的沉积原子能量、退火温度或退火时间来控制限域薄层二维材料中mxtey中金属元素与碲纳米材料的复合程度，当各个条件充分，退火处理完全时形成均质结构，无异质结构；当本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种限域薄层二维材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述衬底的材料选自硅基片、氧化物衬底、玻璃衬底、陶瓷衬底、PET柔性衬底中的一种；和/或
3.如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述纳米材料包含碲纳米材料，纳米材料的形状包括纳米颗粒、纳米线、纳米片、纳米网中的至少一种；
4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述碲纳米材料通过以下步骤制备：
5.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤S3中，受控反应生成MxTey均质结构和/或Te/MxTey异质结构，M为金属膜中所含的金属元素，y/x≥1。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，通过调控物理气相沉积方法中的沉积原子能量、退火温度、退火时间中的至少一个因素，对限域薄层二维材料中MxTey均质结构与Te/MxTey异质结构的厚度比例进行调整。
7.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤1.3中，去除溶剂包括采用吸水性材料吸除溶剂和/或加热蒸发溶剂；
8.一种通
9.如权利要求8所述的限域薄层二维材料，其特征在于，限域薄层二维材料具有MxTey均质结构和/或Te/MxTey异质结构，M为金属膜中所含的金属元素，选自Cu、Ti、Fe、Co、Ni、Mn、Pt、Au、Ta、Cr、V、Se、Nb、W、Mo、Pd中的至少一种，y/x≥1；
10.一种将权利要求8或9所述限域薄层二维材料用在光电探测器件、磁矩翻转、太赫兹探测、磁斯格明子、类神经形态器件中的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种限域薄层二维材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述衬底的材料选自硅基片、氧化物衬底、玻璃衬底、陶瓷衬底、pet柔性衬底中的一种；和/或
3.如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述纳米材料包含碲纳米材料，纳米材料的形状包括纳米颗粒、纳米线、纳米片、纳米网中的至少一种；
4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述碲纳米材料通过以下步骤制备：
5.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤s3中，受控反应生成mxtey均质结构和/或te/mxtey异质结构，m为金属膜中所含的金属元素，y/x≥1。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，通过调控物理气相沉积方法中的沉积原子能量、退火温度、退火时间中的至少一个因素，对限域薄层二维材...
【专利技术属性】
技术研发人员：何聪丽，张琦琦，许洪军，霍玉萍，李嘉辉，胡超群，申世鹏，王守国，
申请(专利权)人：北京师范大学，
类型：发明
国别省市：
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