[发明专利]一种利用激光快速制备过渡金属硫族化合物的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用激光快速制备过渡金属硫族化合物的方法。

背景技术

作为类石墨烯层状材料，以二硫化钼为代表的过渡金属硫族化合物（TMDs，transition metal dichalcogenide）二维纳米结构因其多项卓越的光电性能和特殊物理现象的发现而倍受关注，并逐渐在全世界范围内掀起广泛的研究热潮。过渡金属硫族化合物是类石墨烯的层状化合物。以二硫化钼为例，每层结构中硫原子以共价键结合，钼原子镶嵌其中，形成类似于三明治的S-Mo-S 的结构，属于六方晶系。半导体MoS₂的光吸收性质跟其片层厚度密切相关，其块体材料具有较宽的间接带隙（约1.29~1.90 eV），单层MoS₂具有直接带隙（约1.80 eV），迁移率为200 cm²/(V·s)。在激发光照射下，单层MoS₂可发射~620nm和~670nm的荧光，其发光效率比块体的MoS₂高四个数量级；单层MoS₂具有很好的非线性光学性质，在超快光子激发下呈现出饱和吸收特性。除了具有良好的载流子输运性能的单层或少层的MoS₂外，过渡金属硫族化合物还包括具有半导体特性的WS₂，具有半金属特性的WTe₂、TiSe₂，具有金属特性的NbS₂、VSe₂，具有超导特性的NbSe₂、TaS₂等等，因此其在纳米电子器件、传感器件和光电器件及新型复合材料等众多领域有着广阔的潜在性应用前景。近些年，针对该类材料的基础理论、制备技术、性能探索及应用研究已成为当前国际前沿研究热点之一。

随着对过渡金属硫族化合物研究的深入，其制备主要有两类方法：一类是以块体MX₂为原料，通过物理或化学方式剥离获取单层或多层MX₂薄膜；另一类是以含有M和X元素的化合物为原料，通过化学分解、结晶生长反应等方法获得。以MoS₂为例，具体方法包括机械剥离法、锂离子插层剥离法、液相剥离法和化学气相沉积法等。机械剥离法制备的单层MoS₂质量高，但产率极低，无法大批量制备而且重复性差，样品主要用于微量的基础物理、化学及应用等研究；锂离子插层法利用锂与水反应生成的氢气克服层与层之间的范德瓦耳斯力的原理可获得单层MoS₂，然而制备的MoS₂无法保证质量且面积较小；液相剥离法能够有效地大批量制备薄层MoS₂，但该方法制备的样品质量较低，无法获得单层/少层的MoS₂；化学气相沉积能够有效地获取较大面积、较高质量单层MoS₂，但其工艺温度一般较高，耗时长，成本较大，并且对于在特定位置及区域精确控制制备图形化的少层/单层二硫化钼的要求无法满足。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种利用激光快速制备过渡金属硫族化合物的方法，不仅结构设计合理，而且高效便捷。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种利用激光快速制备过渡金属硫族化合物的方法，包括以下步骤：

（1）提供一基板，将固态M源均匀覆盖于所述基板表面，形成固态M源层，其中 M为过渡金属元素；

（2）在气态X源的环境下，用激光束辐照所述基板表面，使得基板表面的M源层瞬间加热，并与其附近的气态X源发生反应，在基板表面形成MX₂薄膜，其中X为硫族元素。

优选的，在步骤（1）中，所述固态M源为固态形式的过渡金属元素单质或其化合物，为固态Mo、W、MoO₃、WO₃、W₁₈O₄₉、WCl₆、WOCl₄以及W(CO)₆中的一种。

优选的，在步骤（1）中，所述固态M源层的厚度为0.1 nm~ 1mm。

优选的，在步骤（2）中，所述气态X源为气态形式的硫族元素单质或其化合物，为硫蒸气、硒蒸气、H₂S以及气态H₂Se中的一种。

优选的，在步骤（2）中，所述气态X源的分压为1 Torr~ 1000 Torr。