[发明专利]一种二维过渡金属二硫族化合物单晶及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于二维薄膜材料制备技术领域，涉及一种二维过渡金属二硫族化合物单晶及其制备方法和应用。

背景技术

过渡金属二硫族化合物(TMDs)与石墨烯有着类似的结构，但具有自己独特的光电性质，由于其带隙的存在，并同时具有较好的迁移率数值和开关比，在光电器件和P-N结半导体中有着杰出的表现，所以受到了众多研究者的青睐。近几年，人们发现二维过渡金属二硫族化合物(TMDs)，如二硫化钼(MoS₂)、二硫化钨(WS₂)、二硒化钼(MoSe₂)和二硒化钨(WSe₂)等，在金属性、半导体性和超导性等方面展现的优势尤为明显。与此同时，TMDs半导体的带隙和性质也随着层数的变化而变化，据此可以通过控制其层数，与其他二维材料复合，实现更多的应用。

基于机械剥离得到的单层TMDs薄膜的场效应晶体管(FET)展现出了一个很高的开关比和一个很好的迁移率数值，几种过渡金属二硫族化合物相互复合得到的P-N结在光电器件等应用中也表现出了优异的性质。除此之外，TMDs薄膜还可以被应用于换流器和发光晶体管中。例如最近有研究者通过用Pt、Ru等金属覆盖WSe₂晶体，得到了有产氢能力的高性能光电极，具有极高的应用价值。由此可见，过渡金属二硫族化合物将是一种十分有应用前景的新型材料。但是在机械剥离中得到的TMDs面积小且层数不可控，同时也无法很好地控制剥离的TMDs的分布，这种制备方法过程繁琐，且费用较高，无法大量制备TMDs，更无法进行基于高质量TMDs的应用研究。因此，研究如何生长得到高质量单层TMDs是一个必然趋势。

早在上世纪，就有很多的研究者对TMDs的制备方法进行了研究。就WSe₂而言，最早是通过热蒸发WSe₂粉末，或是热分解WSe₃粉末的方法制备WSe₂晶体，后来，又发展了一些新方法，如加热W(或WO₃)和Se(或H₂Se)的混合物，以及用W的金属氧化物(如W(CO)₆，WCl₅，WOCl₅等)与Se的化合物反应等方法得到WSe₂颗粒或者晶体，但是都不是严格的单层WSe₂薄膜。对于其他几种TMDs单晶的制备，方法和效果也基本相同，因此如何可控地制备高质量TMDs单晶成为了研究者们共同关注的问题。而化学气相沉积法(CVD法)作为一种制备二维原子材料的经典方法，已经开始被研究者们广泛应用。目前主流的方法是以S粉和Se粉、MoO₃粉末和WO₃粉末为前驱体，通过CVD法在高温下相互反应沉积，最终在绝缘基底上直接生长，分别能得到单层的MoS₂、WS₂、MoSe₂和WSe₂。但是在这个过程中引入的氧化物(MoO₃和WO₃)会残留在所得样品的表面，从而会对得到的TMDs单晶的质量以及应用产生很大的影响。有研究者通过将前驱体改为已合成的TMDs粉末，来避免氧化物的引入，但是这样却无法通过控制金属与硫族单质的物质的量比来对生长得到的TMDs膜进行控制，导致了产物可控程度的降低；也有研究者将前驱体改为气体反应物，这样可以提高生成TMDs单晶的可控性，但是这种方法难以在很大的生长窗口下获得大面积的TMDs单晶区域。目前，如何可控地制备高质量大面积的单层TMDs成为了研究者们共同关注的问题。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的缺陷，提供一种大面积高质量二维过渡金属二硫族化合物单晶，在惰性气氛中，借助常见的可与硫族单质(S，Se)反应的金属和氢气辅助控制体系中S或Se的浓度，以达到控制过渡金属层硫化或硒化程度的目的，利用化学气相沉积方法可控地生长TMDs单晶。将沉积时的温度控制为750℃至850℃，并且沉积时间控制为5至15分钟，完成所述TMDs单晶的制备。其中通过对基底溅射处理方法、硫族单质粉末用量、吸S/Se金属面积和种类、氢气浓度、生长温度、生长时间等制备参数的优化，实现对高质量过渡金属二硫族化合物单晶结构的严格控制。

本发明提供的技术方案具体如下：

一种二维过渡金属二硫族化合物单晶(TMDs单晶)的制备方法，包括如下步骤：

(1)高真空条件下，在清洗后的绝缘基底上溅射一层过渡金属纳米粒子层；