[发明专利]一种插层氧化钼单晶膜及其制备方法和用途

说明书

本发明公开了一种插层氧化钼单晶膜及其制备方法和用途，该方法包括以下步骤：将三氧化钼粉末在大气环境中加热到580‑880℃，维持1小时以上，然后冷却至350‑550℃，用衬底收集即可获得氧化钼单晶片；将SnCl₂溶于去离子水中，加入氧化钼单晶片，将反应体系加热至30‑90℃反应10‑180min，产物洗涤后得到悬浮液；将悬浮液用抽滤的方法或者将其分散到所需衬底上即可获得插层氧化钼单晶膜。本发明利用离子插层的方法，将Sn⁴⁺金属离子插入到MoO₃层间范德瓦尔斯间隙中，在避免氧空位产生的情况下，明显的扩展了带间态，明显提高MoO₃的导电性，拓宽MoO₃的光响应范围，使其对紫外、可见和近红外光均有响应。

技术领域

本发明属于半导体光电子材料领域，特别涉及一种插层氧化钼单晶膜及其制备方法和用途。

背景技术

二维层状半导体氧化钼材料具高介电常数，能够有效地抑制载流子的库伦散射作用，因此该材料具有特别高的载流子迁移率。2013年，S Balendhran等从实验室测量了该类材料载流子的场效应迁移率，其值达到了1100cm²/Vs。2017年，WB Zhang等进一步预测了层状MoO₃在室温下的理论载流子迁移率可高达3000cm²/Vs，这一数值比常见的氧化物材料至少高出一个量级，可媲美半导体Si材料。

二维氧化钼材料还具有>3eV的带隙，在紫外波段具有较好的吸收特性，因此非常适用于开发紫外光电探测器。同时由于二维材料具有优异的机械特性，因此也非常适合于柔性器件的开发。

然而，由于宽带隙的特性其响应波长窄，载流子浓度低的特性，使得相应的光电探测器探测波长受限，并且驱动电压较大(>10V)。为了克服上述缺点，可以通过引入缺陷或者离子来调控其带隙，进而调控其光电特性。比如采用氢离子的掺入形成H_xMoO₃或者将MoO₃还原成MoO_3-X，可以增大材料的载流子浓度。在液相情况下进行光照诱导产生氧空位来调控带隙。或者通过退火来诱导缺陷态。通过上述手段，可以将材料光谱响应范围拓宽至可见光范围的响应(<680nm)。

但是，上述方法均破坏了材料的晶格结构，产生了氧空位缺陷。氧空位缺陷的产生导致材料对H₂O、O₂敏感，因此导致器件的光、热和气氛稳定性大幅度下降，在大气环境无法稳定工作。虽然器件可以在真空环境下工作，但是真空环境下氧空位的出现同时导致器件响应时间大幅度增加到数十到几百秒的量级。最后，注入H、Li等小离子在氧化物中迁移率较高，在电场作用下可以发生移动，导致离子析出而使材料迅速失效。因此，现有方法无法同时实现材料响应谱带的拓宽、器件稳定性的提高及响应速度的改善。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的首要目的在于提供一种插层氧化钼单晶膜的制备方法，该方法将金属离子插入到二维氧化钼的层间间隙中，通过微调晶格结构及其能带结构来实现氧化钼的吸收谱带的拓宽，在不产生氧空位的情况下实现了宽谱、稳定而快速的光电响应。

本发明的另一目的在于提供由上述方法制得的插层氧化钼单晶膜，该材料具有宽谱响应(325-2500nm)特性，响应速度可达到0.1s量级，可在大气环境下稳定工作。

本发明的再一目的在于提供上述插层氧化钼单晶膜的用途。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种插层氧化钼单晶膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)将三氧化钼粉末在大气环境中加热到580-880℃，维持1小时以上，然后冷却至350-550℃，用衬底收集即可获得长度可达几十微米到厘米级，厚度达大于100纳米的氧化钼单晶片；