[发明专利]制备二维层状垂直异质结的方法

说明书

本公开提供了制备二维层状垂直异质结的方法，所述方法包括：将第一材料在含第二材料的电解液中电镀、在含第三材料的气体气氛下加热以及退火冷却，由此得到二维层状垂直异质结。本公开还涉及由所述方法制备的二维层状垂直异质结及其应用。

技术领域

本公开涉及制备二维层状材料的方法，尤其涉及制备二维层状垂直异质结的方法。

背景技术

以石墨烯为代表的二维层状材料，是近年来学术界和工业界所共同关注的热点。这些二维层状材料具有普通三维材料所不具备的奇特的物理化学特性，例如：极其优良的载流子迁移率，优异的导热特性，极强的防腐蚀性和良好的光透性与柔韧性。

由于具有这些特性，二维层状材料，如石墨烯，六方氮化硼及过渡金属硫属化合物，在柔性/可穿戴/触屏电子技术、光电传感领域、高频电子领域、功能器件导热/导电领域、太阳能/燃料/锂离子电池领域、海水淡化领域、环保领域及医用军用功能材料领域具有及其重要的作用与应用。

然而，如何有效且可重复性地大面积低成本制备二维层状异质结材料，特别是如何直接制备二维层状过渡金属硫属化合物/石墨烯垂直异质结，一直是学术界与工业界所面对的巨大挑战之一。迄今为止，单独制备二维层状过渡金属硫属化合物(TMD)的方法，以最常见的二硫化钼(MoS₂)纳米片为例，主要有：

1.利用高纯度的三氧化钼粉(MoO₃)(Y.H.Lee,X.Q.Zhang,W.Zhang,M.T.Chang 1,C.T.Lin,K.D.Chang,Y.C.Yu,J.T.Wang,C.S.Chang,L.J.Li,T.W.Lin,Adv.Mater.2012,24,2320)、或者利用热蒸发的纳米钼(Mo)金属薄膜(Y.Zhan,Z.Liu,S.Najmaei,P.M.Ajayan,J.Lou,Small 2012,8,966)作为前躯体，通过在惰性气体的环境下(常见在氩气保护下)与高纯度的硫粉(S)反应，从而在二氧化硅衬底或硅衬底上进行制备的方法；

2.利用微量Mo(CO)₆气体源的方法(K.Kang,S.Xie,L.Huang,Y.Han,P.Y.Huang,K.F.Mak,C.-J.Kim,D.Muller,J.Park,Nature 2015,520,656)；

3利用四硫代钼酸铵(NH₄)₂MoS₄直接热分解的方法(K.K.Liu,W.Zhang,Y.H.Lee,Y.C.Lin,M.T.Chang,C.Y.Su,C.S.Chang,H.Li,Y.Shi,H.Zhang,C.S.Lai,L.J.Li,NanoLett.2012,12,1538)。

于此同时，单独制备大面积石墨烯的方法，主要有：

1.在铜箔表面利用气体甲烷(CH₄)脱氢催化的化学气相沉积(CVD)法(X.Li,W.Cai,J.An,S.Kim,J.Nah,D.Yang,R.Piner,A.Velamakanni,I.Jung,E.Tutuc,S.K.Banerjee,L.Colombo,R.S.Ruoff,Science 2009,324,1312)；

2.利用其他固体或者气体碳源的方法(Xi Wan,Kun Chen和Jianbin Xu,Small2014,10,4443)。

然而，此类化学气相沉积(CVD)方法自身存在有若干问题，例如，前躯体成本过高，设备昂贵复杂，而且采用上述制备方法得到的二维层状过渡金属硫属化合物的尺寸均较小，并且需要采用额外的有机物支撑层和化学溶剂，如HF等。人工将二维层状过渡金属硫属化合物转移至石墨烯表面，工序复杂，很难达到工业上所需的大面积、高产量、低成本的要求。因此，这极大地限制了此类二维材料在场效应晶体管(FET)和光电探测器等光电器件领域的应用。

因此，本领域亟需一种新的制备方法来解决尚存在的缺点。