[发明专利]一种过渡金属硫族化合物纳米线及其制备方法与应用

说明书

本发明提供了一种过渡金属硫族化合物纳米线及其制备方法与应用。制备方法为在真空条件下，保持金属、半金属或半导体衬底加热至250℃‑350℃，将过渡金属原子和硫族原子蒸镀到所述衬底上，制备过渡金属硫族化合物膜，将该过渡金属硫族化合物膜加热退火，制备得到过渡金属硫族化合物纳米线。本发明制备得到的纳米线形状规则，宽度一定，态密度均匀分布，不含杂质离子，且操作简单、制备效率高。可用于研究一维系统中的量子物理现象、纳米尺度电路中的导线和金属‑单原子层半导体接触等方面的应用。

技术领域

本发明属于材料领域，更具体地，涉及一种过渡金属硫族化合物纳米线及其制备方法。

背景技术

过渡金属硫族化合物纳米线作为一种新型的纳米材料，具有不同于二维过渡金属硫族化合物的电性、磁性以及化学性质。二维过渡金属硫族化合物MX₂(M为过渡金属原子；X为硫族原子)通常是半导体性质，然而其相应的纳米线具有金属性质。因此，过渡金属硫族化合物纳米线可以作为连接线连接二维层状薄膜，形成二维闭合回路，使得二维层状材料的实际应用变成了可能。同时，纳米线是研究某些物理规律的良好的载体。比如可以在纳米线上研究电荷密度波的相关机理。因此寻找可以调控的生长均一、稳定的过渡金属硫族化合物纳米线的制备方法尤为重要。当前制备过渡金属硫族化合物纳米线的方法通常是化学合成，热处理和高能电子束辐照等。最初研究者主要是利用碱金属或碘金属，通过无机合成生长过渡金属纳米线。此种方法会导致金属离子无序地掺杂，例如，形成稳定的Mo₆S_(x-z)I_z(x＝6或9；z为任意值)化合物。然而，掺杂的离子会影响纳米线的物理性质，比如导电性等。鉴于此，Jakob Kibsgaard等人利用金属Mo作为先驱者，在温和的硫化环境中形成了稳定纯粹的Mo₆S₆纳米线。该方法有效解决了掺杂离子带来的不利影响。接下来，Junhao Lin等人用高能电子束辐照剥离好的层状MoSe₂材料，通过控制电子束流的大小，分解辐照区域的MoSe₂。被分离的MoSe₂薄层通过Mo₆Se₆纳米线连接，形成二维闭合回路。该方法能够通过原子的自组装得到连接层状材料的金属连接线，但是纳米线分布无序并且形状不规则。最后，Hui Zhu等通过对MoTe₂单晶进行热处理，在体内形成了稳定且长直的Mo₆Te₆纳米线，该纳米线的尺寸可达到微米量级，但是埋在体内的纳米线不便于分离开来。

通过当前的三种制备方法得到的过渡金属硫族化合物纳米线均能够稳定存在，但其形状不规则，宽度不确定，并且得到较好纳米线的效率较低。其中利用化学合成法引入的杂质离子会严重影响所得纳米线的电学性质。虽然通过热处理以及高能电子辐照能有效的避免这一不利影响，但通过高能电子辐照得到的纳米线形状不规则，且生产效率低，操作过程复杂。这在一定程度上限制了过渡金属硫族化合物纳米线的实际应用。

发明内容

本发明解决了现有技术中过渡金属硫族化合物纳米线制备效率低、操作复杂，且得到的纳米线形状不规则的技术问题。

按照本发明的第一方面，提供了一种过渡金属硫族化合物纳米线的制备方法，包含以下步骤：

(1)在真空条件下，保持金属、半金属或半导体衬底加热至250℃-350℃，将过渡金属原子和硫族原子蒸镀到所述衬底上，制备过渡金属硫族化合物膜；

(2)在真空条件下，将步骤(1)所述的过渡金属硫族化合物膜加热退火，所述加热的温度为500℃-700℃，加热的时间为15min-40h，制备得到过渡金属硫族化合物纳米线。

优选地，所述步骤(1)和步骤(2)之间还包括将衬底加热至400℃-500℃，以促进过渡金属硫族化合物膜结晶，并除去过渡金属硫族化合物膜表面未蒸镀至衬底上的硫族原子。