[发明专利]一种有效提升单层二维过渡金属硫族化合物产率、品质的方法

说明书

本发明属于材料技术领域，特别涉及一种有效提升单层二维过渡金属硫族化合物产率的方法。首先将MO_x前驱物在气氛环境下退火处理，或者利用等离子体处理，或者同时采用等离子体处理加气氛下热处理，改变前驱物表面的氧缺陷种类和数量，进而改变M的表面价态；然后，以处理后的MO_x为M源；X源为S粉或Se粉，利用CVD方法来制备单层的MX₂。通过选择适合的预处理方法，实现M源的稳定供给，可在无氢气提供的条件下制备高产量、大尺寸、高品质的二维材料。

技术领域

本发明属于材料技术领域，特别涉及一种有效提升单层二维过渡金属硫族化合物产率、品质的方法。

背景技术

单层二维过渡金属硫族化合物(2D TMDCs)具有优异的电学、光学、热学以及机械性能，在逻辑器件、集成电路和光电器件方面都有非常大的应用前景。2D TMDCs为一系列层状材料，化学式为MX₂,其中单层的TMDC由一层过渡金属M夹在两层硫族元素X中间组成。当材料接近或者成为单层时，TMDC由间接带隙变为直接带隙，表现出许多区别于体材料的特性，如强的光敏特性和压电耦合特性等，这些优异的性能将TMDC的应用进一步扩展到压电耦合纳米发电机、晶体管、光电探测器以及纳米催化领域。

目前，化学气相沉积技术是制备单层2D TMDCs及其异质结构的主要方法，已实现可靠的制备单层MoS₂，WS₂，MoSe₂，WSe₂等多种2D TMDCs 材料。此制备方法具有合成设备简单，合成速度快，材料层数可控等诸多优势，并且与目前硅半导体工艺具有很好的兼容性。当前，化学气相法制备2D TMDCs主要的研究及产业化热点之一便是如何进一步提升所制备晶体的产率以及品质。

在目前报道的化学气相沉积法(CVD)制备单层TMDC技术中，直接将金属氧化物(MO_x，x＝2或3)作为M源和X源放入管式炉中，高温加热，使得蒸发的X源和MO_x反应，在保护性气体环境下(氩气与氢气按一定比例混合)将其还原，从而在衬底上长出许多单层或者多层MX₂。CVD法使得X源与M源在高温下蒸发，生成的MX₂直接沉积在衬底上，工艺流程简单，制备出的MX₂纯度较高，结晶性好，且层数可控，使得材料能更好的应用于光电器件中。

例如，CN106048556A公开了一种设置于基材上的金属硫属化合物膜，其包括至少一个(例如，1至10个单层)的金属硫属化合物单层，所述膜的制得方法是在低的水浓度下进行。CN105800566A公开了一种交替注入反应物生长单层和多层过渡金属硫化物的方法。该方法使反应物交替进行沉积反应，通过控制反应温度与时间控制过渡金属硫化物生长的层数与面积，得到高质量的过渡金属硫化物的层状物。

已有的CVD技术中通常采用金属氧化物(MO_x)作为反映前驱物，由于多种因素，反应前驱物通常具有多种表面态，在材料合成过程中，这些表面态极有可能影响反应前驱体气化速率，使得二维层状晶体产生晶体缺陷，所制备的MX₂形貌和光学特性有着极大的差异，造成单层二维材料的品质下降。

发明内容

本发明专利提出一种反应前驱物处理的简便方法，不同反应前驱物处理方法制备的2D TMDCs进行对比发现，所开发的前驱物处理工艺可有效提升2D TMDCs的产率，并且可将单晶尺寸提高10倍以上，所制备的单晶尺寸接近100微米。通过反映前驱物的处理，还可以避免在合成过程中使用氢气，从而降低了氢气在高温合成过程中造成可逆反应而在晶体中引入缺陷的可能。同时由于反应中避免了氢气的使用，而使得材料合成的安全性大大地提高。