[发明专利]一种二维材料横向异质结、制备及其应用

说明书

本发明公开了一种二维材料横向异质结的制备方法，包括以下步骤：步骤(a)：以材料A粉末为原料，在基底表面进行气相沉积，形成材料A的纳米片；步骤(b)：将材料B1的粉末在逆向载气气流下加热至生长温度，随后再在正向载气气流下使B1沿材料A的纳米片外沿横向生长，生长完成后再通入逆向载气气流，制得二维材料横向异质结A‑B1。本发明还提供了所述的制备方法制得的二维材料横向异质结及其在制备光电学器件中的应用。本发明制备的相关异质结具有原子层级光滑，异质结界线陡峭且平整，几乎没有掺杂，材料光学、电学性能优异；该方法极大地简化了二维材料横向异质结的制备方法，材料制备的可控性以及制备效率方面得到极大提升。

技术领域

本发明属于纳米材料领域，涉及二维材料横向异质结及其超晶格的制备方法。

技术背景

二维材料领域最先由2004年石墨烯的发现而引发研究热潮，但是由于石墨烯特殊的零带隙能带结构，使其在电子和光电子领域受到了极大限制，例如石墨烯场效应管开关比非常小，使其在逻辑电路中的使用受限。而B.Radisavljevic等人采用单层MoS₂制备的场效应晶体管开关比高达到10⁸，极具应用前景，以单层MoS₂为代表的新型二维材料引发了极大关注^[1]。

TMDs等层状材料与石墨一样具有同样的层状结构特征，层内原子以强的共价键或者离子键结合，层间以弱的范德华力结合，层状材料的结构特征使得单个原子层或者少数原子层可能单独存在，这些以2D-TMDs为代表的新二维材料一般具有依赖于材料层数的电子和光电子性质。要充分实现这些层状半导体材料在电子和光电子领域的应用，需要精确这些二维原子晶体的化学成分、结构、和电子性质的空间分布，这与硅为代表的传统半导体材料在传统电子领域中是类似的。在传统电子工业中异质结，定义了现代电子和光电子器件的基本结构，如p-n结二极管，光伏器件，光电检测器，发光二级管，激光二极管等，2D-TMDs等二维材料横向异质结的制备对于相关二维材料在电子领域中成功应用，并发挥它们的优势是至关重要的^[2]。二维层状材料异质结作为原子级薄的半导体异质结，具有诸多重大的科学意义以及应用价值，极具研究前景。

目前对于二维材料垂直向异质结的性质进行了较为广泛的研究，然而对于横向异质结的研究由于工艺条件苛刻，致使研究进展缓慢^[2，4，5]。当前已经有多种二维横向异质结被制备，主要包括石墨烯-氮化硼横向异质结、TMDCs系列的横向异质结等，二维横向异质结的制备方法包括分步合成，和一次性合成以及原位改变气相反应物的技术等，但是由于合成过程中生长气压、温度、生长时间等需要严格控制，往往会出现高掺杂、界面不平整，出现较宽的合金区域、制备效率低下等问题，造成目前二维材料横向异质结制备难度很大^[3]。目前多横向异质结的制备并没有实现，而二维材料超晶格结构主要采用刻蚀工艺辅助加工，加工难度大，且经加工再生长的异质结构较难保持其洁净程度。因此，该领域存在诸多的挑战需要解决。二维层状材料异质结作为原子级薄的半导体异质结，具有诸多重大的科学意义以及应用价值，极具研究前景^[2]。

参考文献

[1].Geim AK，Grigorieva IV.Van der Waals heterostructures.Nature.499，419-425(2013).

[2].Liu Y，Weiss N O，Duan X，et al.Van der Waals heterostructures anddevices[J].Nature Reviews Materials，2016，1：16042.

[3].Duan X，et al.Lateral epitaxial growth of two-dimensional layeredsemiconductor heterojunctions.Nat Nano.9，1024-1030(2014).