[发明专利]一种过渡金属硫族化合物能隙调控的方法

说明书

一种过渡金属硫族化合物能隙调整的方法，其压力的产生装置为金刚石对顶砧，通过在金刚石压砧上集成范德堡电极，在原位测量压力作用下，根据电阻率变化规律，检测过渡金属硫族化合物能隙调控效果，压力步进精度高，对于过渡金属硫族化合物能隙的压缩连续可调，采用范德堡法测量样品电阻率，并根据电阻率数据以及电阻率随温度变化关系判断过渡金属硫族化合物能隙闭合情况，不仅适用于单晶样品而且对多晶粉末样品也有效，适用范围更广，可操作性强，效果佳。

技术领域

本发明涉及高压物理技术和半导体电子结构领域，特别是涉及一种过渡金属硫族化合物能隙调整的方法。

背景技术

过渡金属硫族化合物是一类传统的无机半导体材料，其化学通式常用MX₂表示，M＝Mo、W等，X＝S、Se、Te。TMDs具有典型的层状结构，每一层都是三明治X-M-X的形式，即过渡金属在中间，上下分别依靠共价键连接硫族元素的原子，三明治结构的层依靠范德瓦尔斯力相互堆叠形成体材料的晶格结构。

过渡金属硫族化合物具有半导体属性，压力的增加使其晶胞变小，布里渊区亦被压缩，能隙变窄，价带上的电子更容易跃迁到导带参与导电，宏观上能隙变窄表现为样品电阻率降低。温度升高可以使价带中的能级或能隙中的杂质能级进入导带参与导电，所以半导体的电阻率随温度的升高而降低。能隙闭合后其能带结构类似于金属，温度的升高会使原子实在其平衡位置附近振动加剧，自由电子与原子实之间的碰撞机会就越大，也就越阻碍电子的定向运动，故能隙闭合后，材料的电阻率随温度的升高而升高。

2004年，曼切斯特大学Geim小组成功分离出单原子层的石墨材料—石墨烯(graphene)，二维材料是随着单原子层的石墨材料—石墨烯成功分离而提出的，过渡金属硫族化合物很容易通过机械剥离等手段获得宝贵的二维材料。二维材料石墨烯拥有优越的电子传输性能、光学特性、热学特性，其在能源领域有着十分巨大的潜力，但从本质上来说是半金属，其能带结构中并没有能隙，这给石墨烯在电子领域和光电领域的实际应用带来很大障碍。

过渡金属硫族化合物是半导体属性，具有较大的能隙，还兼具二维材料的优越性能，它可以胜任电子和光电方面的用途。在某些应用场景，需要过渡金属硫族化合物的能隙宽窄可调，光伏器件的构成材料为过渡金属硫族化合物，其能隙的变化可以吸收光谱的范围扩展至指定波段，提高光电转换效率。

过渡金属硫族化合物的电子结构调谐主要有以下几种方式：

1、外加电场扰动电子自旋、改变电子自由度；

2、减少样品层数，使二维材料的量子效应显著，对电子结构进行量子限域；

3、通过对材料的弯曲、拉伸、或引入衬底等方式对晶格施加应力，以改变电子结构。

利用这些手段调谐能隙时都需要电场、应力等特殊条件，产生这些条件的装置很苛刻，这会导致它们的使用方式很受限制，目前的技术手段很难达到单层原子的操纵，只有对单晶薄膜样品的弯曲或拉伸才能产生应力从而影响电子结构，而很多应用实例要求样品形态为多晶粉末。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的问题，根据过渡金属硫族化合物受压力后电阻率变化规律，高压原位传导激活能的检测方法，创造性提出了一种过渡金属硫族化合物能隙调整的方法，可以使过渡金属硫族化合物能隙至闭合状态都连续可调，适用于粉末多晶样品。

本发明所采用的技术方案是：一种过渡金属硫族化合物能隙调整的方法，其特征是，它包括以下步骤：

(1)启动金刚石压砧，在密封垫上产生压痕，在压痕中心设置通孔，将密封垫上的通孔作为压腔；

(2)将金刚石对顶砧进行化学清洗，去除其表面的油脂和灰尘；

(3)在上金刚石对顶砧砧面上，利用射频溅射的方式，沉积0.3微米的金属钼薄膜作为导电层；