[发明专利]一种二维过渡金属硫族化合物的制备方法

说明书

本发明公开了一种二维过渡金属硫族化合物的制备方法，它包括：1）二维过渡金属硫族化合物单晶及薄膜的制备：2）高分子聚合物保护层的涂覆；3）电化学鼓泡转移二维过渡金属硫族化合物单晶及薄膜；4）高分子聚合物保护层的去除；制备的硫族化合物薄膜厚度为0.7~1.0nm；化合物单晶层数为1~10层，整个材料成分均一、厚度可控；优点：1）本方法制备速度快；2）本方法可在常压下进行，具有操作方便、易于调控和易于大面积制备等特点；3）金基底得以反复利用，从而降低制备成本；4）制备的单晶及薄膜，具有高结晶质量，均匀层数，优异的可见光透过性及较高的光致发光特性。

技术领域

本发明属于二维材料制备技术领域，具体涉及一种二维过渡金属硫族化合物的制备方法，适于制备大尺寸高质量均匀层数的二维过渡金属硫族化合物。

背景技术

二维材料是一种具有原子级厚度的超薄材料，具有和普通块体材料相比非常独特的性质，是近年来材料领域的一大研究热点。在二维材料中，石墨烯具备优异的导电性，是一种极好的导电材料，但是石墨烯的零带隙结构限制其在微电子领域以及新型领域的发展。二维过渡金属硫族化合物（Transition Metal Dichalcogenides，TMDs）是一种新型半导体材料，具有优异的力学性能，兼具柔性和透光的特点。随着其层数的不断减少，TMDs逐渐由间接带隙结构转变为直接带隙结构。其中单层TMDs是一种具有直接带隙结构的半导体材料，并且其带隙刚好在可见光范围内，量子效率高，并具有显著的谷极化效应，因此在场效应晶体管、光电探测器、柔性光电子器件、自旋器件等其他微电子领域具有广阔的应用前景。

目前已经有多种方法来制备大面积的二维TMDs材料，主要包括机械剥离、化学剥离和化学气相沉积（CVD）。机械剥离得到的样品虽然质量较高，但是存在层数不可控、尺寸较小等一系列问题。化学剥离虽然可以实现样品的批量制备，但样品质量通常较差。相比之下，化学气相沉积方法由于具有产量高、可控性强、制备的材料质量高等特点成为目前最为广泛使用的方法。目前研究表明，在非金属衬底表面生长的TMDs材料可控性较差、难以实现形核密度和层数控制、结晶质量较低，并且制备周期长。因此提出采用金属衬底金作为生长基底，利用金属的高催化活性降低化学反应能垒，同时过渡金属在金中具备一定的溶解度，可以发生溶解析出的过程为二维过渡金属硫族化合物的生长提供更多的过渡金属源，从而实现大尺寸、高质量、均匀层数的TMDs单晶及大面积薄膜的超快制备，并且通过控制前驱体的种类和数量来实现不同种类及不同厚度TMDs材料的制备。同时，利用电化学鼓泡转移方法使得金基底可以被反复使用，进一步降低实验成本。实现大面积、高质量、层数可控的TMDs材料制备是对其物性研究和广泛应用的前提，新制备方法的提出对其他种类二维材料的制备、物性研究、应用等方面也具有一定的借鉴意义。

发明内容

本发明目的是为解决二维TMDs材料层数不可控、尺寸小或产品质量差的问题，而提供一种二维过渡金属硫族化合物的制备方法。

一种二维过渡金属硫族化合物的制备方法，它包括：

1）二维过渡金属硫族化合物单晶及薄膜的制备：采用水平式反应炉反应，以金箔为生长基底，反应源包括过渡金属源和硫族元素非金属源，升温阶段以10~500毫升/分钟的气体流量通入惰性气体，并以10~50℃/min的升温速度，加热升温至700℃～1000℃；材料生长阶段通入氢气与惰性气体，氢气2~5毫升/分钟，惰性气体100~120毫升/分钟，，过渡金属源于硫族元素非金属源发生化学反应，在金箔上生成二维TMDs材料，生长时间超过30秒；生长结束后，快速降温；

2）高分子聚合物保护层的涂覆：在步骤1）制备的二维过渡金属硫族化合物单晶及薄膜的表面，均匀地涂覆一层高分子聚合物作为保护层；

3）电化学鼓泡转移方法：用电化学鼓泡转移的方法，使得生长基底与二维过渡金属硫族化合物单晶及薄膜在电解液中分离，得到高分子聚合物/二维过渡金属硫族化合物的复合膜，将二维过渡金属硫族化合物单晶及薄膜从生长基底转移到其它基底；