[发明专利]一种采用两步化学气相沉积法制备过渡金属硫属化合物/二维层状材料层间异质结构的方法

说明书

技术领域

本发明属于材料领域，具体地，本发明涉及利用两步化学气相沉积的方法，在金箔衬底上可控制备大面积、严格单层二硫化钼/二维层状材料等过渡金属硫属化合物层间异质结构。

背景技术

单层过渡金属硫属化合物(MX₂,M＝Mo,W；X＝S,Se,Te)是已知的一类最薄的半导体性二维材料。被认为在后硅时代可作为硅晶的替代物应用于下一代电子及光电子器件，具有低能耗且高响应度的运行特点。它的直接带隙特性以及强的光-物相互作用使其在下一代柔性光电子器件及光电转换器件上具有非常广阔的应用前景。目前单层过渡金属硫属化合物与其他二维层状材料(例如石墨烯，氮化硼等)所构筑的复合结构，引起了人们的广泛关注。单层二硫化钼/石墨烯层间异质结构，充分利用了二硫化钼的强的吸光特性和石墨烯的超快电子传输性能，是探索此类异质结构新奇物理特性(例如超导，电荷密度波等)，开拓其在纳电子和光电子学领域应用的模型材料体系。单层二硫化钼/氮化硼叠层结构有效屏蔽了衬底(例如二氧化硅/硅)对二硫化钼的电子散射。同时氮化硼作为隧道层的引入，极大地降低了二硫化钼与金属电极之间的接触电阻，有效提高了二硫化钼的载流子迁移率，从而使得该异质结构应用于电子学器件成为了可能。二硫化钼/二硫化钨层间异质结构是一种非常典型的II半导体异质结。这种异质结的导带和价带分别位于二硫化钼和二硫化钨上。在光激化的条件下，电子和空穴分别转移到二硫化钼和二硫化钨上，从而实现了电子-空穴对的有效分离，使其在光催化析氢反应等领域具有非常广阔的应用前景。

目前制备二硫化钼/二维层状材料等层间异质结构一般有四种方法：(1)机械剥离过渡金属硫属化合物以及石墨烯和氮化硼，随后通过定向转移和堆垛的方法获得；(2)利用化学气相沉积的方法在机械剥离的氮化硼和石墨烯上，直接制备过渡金属硫属化合物；(3)在石墨烯和氮化硼的表面均匀旋涂硫钼酸盐溶液，随后在硫气氛下高温退火制备；(4)通过一步化学气相沉积的方法直接构筑不同过渡金属硫属化合物之间的异质结构。机械剥离和定向转移构筑过渡金属硫属化合物异质结构是目前常用的制备方法。然而，过渡金属硫属化合物、石墨烯和氮化硼在转移过程中难以避免地造成界面污染和材料破损，从而显著降低了所构筑异质结构的性能。同时这种转移的方法也无法实现过渡金属硫属化合物与石墨烯和氮化硼之间扭转角度的精确地控制；硫钼酸盐溶液的热分解所获得的过渡金属硫属化合物，其畴区尺寸很小，缺陷很多，层厚不均匀，导致利用这种方法制备的过渡金属硫属化合物的质量很差，很难实现其实际应用；一步化学气相沉积的方法所制备的不同过渡金属硫属化合物之间的异质结构，不同元素之间很容易发生互混和掺杂，从而无法获得本证的异质结构。以上三个方面的不足严重影响了过渡金属硫属化合物异质结构在电子和光电子领域中的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种采用两步化学气相沉积法制备过渡金属硫属化合物/二维层状材料层间异质结构的方法，利用两步化学气相沉积的方法可控制备大面积、严格单层二硫化钼/石墨烯、二硫化钼/氮化硼和二硫化钼/二硫化钨等过渡金属硫属化合物层间异质结构。两步化学气相沉积方法的使用，极大地减小了所制备材料与大气的接触时间，从而有效避免了不同材料之间界面的污染；这种制备方法的使用实现了不同堆垛材料之间扭转角度的精确控制，同时也有效避免了不同元素之间的互混和掺杂，进而获得本证的异质结构。需要指出的是，利用两步化学气相沉积的方法制备的二硫化钼/石墨烯表现出了非常高效的电催化析氢效果；而二硫化钼/二硫化钨层间异质结构也有效地实现了光催化产氢。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种采用两步化学气相沉积法制备过渡金属硫属化合物/二维层状材料层间异质结构的方法，所述方法包括以下步骤：

1)将金箔进行清洗和高温预退火处理；

2)将退火后的金箔置于高温管式炉中，利用低压化学气相沉积的方法在金箔上进行二维层状材料的生长；温度降至室温后，即得到二维层状材料/金箔样品；

3)将二维层状材料/金箔样品放入第二个高温管式炉中，按照气路由上游至下游的顺序，依次放置硫粉、钼的氧化物和二维层状材料/金箔；

4)向反应腔内通入氩气和氢气，同时分别设置硫粉、钼的氧化物和二维层状材料/金箔的温度为100～102℃，530～545℃和680～700℃，进行二硫化钼的生长；

5)二硫化钼生长结束后，关闭对硫粉的加热，同时调高氢气的流量，温度降至室温后关闭氩气和氢气，即得到金箔上的二硫化钼/二维层状材料层间异质结构。