[发明专利]一种二维硫化钨基垂直异质结构材料的制备方法

说明书

本发明属于纳米材料制备技术领域，公开了一种二维硫化钨基垂直异质结构材料的制备方法，采用化学气相沉积法，以Si/SiO₂为衬底，磁控溅射的Mo/W薄膜为Mo、W源，与硫蒸气反应，在Mo/W薄膜附近三个不同区域制备得到WS₂基垂直异质结构。所得WS₂基垂直异质结构的形貌为两种不同尺寸的晶体堆叠而成的三角形，可作为晶体管的沟道材料应用于超薄电子器件领域。本发明选用磁控溅射的Mo/W超薄薄膜作为Mo、W源，通过Mo、W源蒸发温度的差异和有效蒸发面积的不同，以及随时间和距离变化的Mo、W源的浓度分布，成功实现二维WS₂基垂直异质结构的组分调变。WS₂基垂直异质结构具有可调的发射光波长，在光探测器件中有潜在的应用价值。

技术领域

本发明属材料制备技术领域，尤其涉及一种不同二维硫化钨基垂直异质结构的制备方法。

背景技术

自2004年石墨烯发现以来，各种超薄二维材料，如氮化硼(BN)、过渡金属二硫化物(TMDs)、黑磷等，被广泛研究，主要是由于它们具有优异的光学和电学特性，从而使得它们在场效应晶体管、光探测器、发光二极管、能源等领域有着光明的应用前景。与块体材料相比，以二硫化钼和二硫化钨为代表的单层二维TMDs具有非常独特的光、电性能，如层数依赖的间接-直接带隙转变、可调带隙、高的光发射效率、高的激子结合能、不同的激子、高的电子迁移率、良好的柔性。然而，单一的二维TMDs材料很难实现宽范围的能带调控以及电荷转移的控制，从而极大地限制了它们在高性能、低能耗超薄光电子器件领域的应用。为了深入深究材料本征光电性质并拓展其应用领域，广大科研工作者将目光投向了二维TMD基异质结构。

二维TMD基异质结构通常是由两种及以上二维材料基于面内拼接形成水平异质结构，或者基于层间范德华力堆叠而形成垂直异质结构。虽然面内水平异质结构可用于研究材料界面处的载流子传输行为，但是要求不同材料的晶格失配度要低，从而使得TMD垂直异质结构的构建及其性能研究成为目前二维材料最为热门的方向之一。在TMD二维垂直异质结构的制备过程中最为显著的一个特点就是无需考虑晶格失配度的问题，是由于TMD二维材料表面无悬挂键。此外，TMD二维垂直异质结构呈现出许多新的现象，如可调带隙、高的光吸收、层间激子、以及超快和高效的电荷转移，从而使得范德华垂直异质结构在下一代高性能、低功耗光电子器件领域有着非常可观的应用潜力。

到目前为止，已有研究工作主要集中在机械剥离堆叠垂直异质结构，以及多步(两步或三步)化学气相沉积法研究不同垂直异质结构的构建，如MoS₂/WSe₂,WSe₂/MoSe₂,MoS₂/WS₂,WS₂/MoSe₂以及ReS₂/WS₂，并探索了它们在光、电学性能方面所具有的新奇现象。然而，利用一步化学气相沉积法制备硫化钨基二维异质结构，尤其是以单层硫化钨为顶层、单层硫化钼钨合金为底层的垂直异质结构，还尚未有报道。因此，还有待开发一种简单可行的途径实现硫化钨二维垂直异质结构的制备，并能有效调节底层合金中的组分范围，从而满足其在高效率、低功耗超薄光电子器件领域的应用。

发明内容

为了克服现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种二维硫化钨基垂直异质结构材料的制备方法，通过一步化学气相沉积法实现不同硫化钨基二维垂直异质结构的制备，该方法是基于钼钨源的蒸发温度不同、硫化钨和硫化钼的生长温度不同，从而实现一步法实现二维垂直异质结构的生长；同时该方法操作工艺简单、成本低、无催化剂且对环境友好。

为了解决现有技术存在的技术问题，本发明的技术方案如下：

一种二维硫化钨基垂直异质结构材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤S1：以Si/SiO₂为衬底，磁控溅射制备钼钨薄膜作为材料源，且钨膜垂直于钼膜；