[发明专利]一种二维层状材料的制备方法及装置

说明书

本发明涉及一种二维层状材料的制备方法，所述二维层状材料的制备方法是在加热装置内部分别放置非金属源和金属化合物或混合物源，所述非金属源位于所述加热装置的进气口和所述金属化合物或混合物源之间，通过所述进气口向所述加热装置中通入惰性气体或混合气体，并进行加热，所述非金属源受热产生非金属气体，在所述惰性气体或混合气体的带动下，遇到所述金属化合物或混合物源受热产生的金属或金属化合物前驱气体，二者反应在所述第二衬底上形成所述二维层状材料。本发明基于重力作用和有限空间内制备的二维层状材料具有高成核生长密度和良好的厚度均匀性，同时也能很好的保证实验的可重复性和可控性。

技术领域

本发明涉及功能材料制备技术，尤其是一种二维层状材料的制备方法及装置。

背景技术

二维层状类石墨烯结构纳米材料，包括过渡金属硫属化物、氮化硼和黑磷等，因其独特的几何和电子结构性质而备受研究人员的关注。与传统半导体材料表面具有丰富的表面态不同，二维层状材料面内具有较强共价耦合作用，而面间只具有较弱范德瓦尔斯作用，所以此类材料既具有良好的化学稳定性，又具有良好可控的电子结构性质。又由于其极限的原子层厚度和极大的比表面积，因此，在下一代电子、光电子以及柔性可穿戴器件领域具有广阔的应用前景。

为制备基于二维层状材料的高性能电子、光电子器件，实验上获得大量高质量的二维层状材料是先决条件。近年来，研究人员已采用多种物理和化学的方法制备出了许多二维层状材料，如机械化学剥离法，化学气相沉积法，微波法等。从所生长的二维层状材料的质量以及数量的角度考虑，化学气相沉积法是最具应用前景的一种生长方法。但是，到目前为止，采用传统的化学气相沉积方法所制备的二维层状材料仍然存在着如下问题：衬底上二维层状材料成核难，成核数量少，因此所生长的二维层状材料数量密度低；衬底上二维层状材料生长区域随机，成核生长位置不可控；所生长的二维层状材料的厚度均匀性差；实验的可重复性差，有时甚至在同样的条件下也无法生长出二维层状材料。以上这些问题的存在，将对基于二维层状材料的电子和光电子器件的大批量制备造成极大的影响。因此，设计出操作简单、重复性和可控性良好、成核生长密度高、晶体质量良好的二维层状材料的制备方法，对下一代柔性电子和光电子器件的大规模生产和实用化具有非常重要的意义。

发明专利申请CN110335819A公开了一种化学气相沉积法在基底上生长二维单层过渡金属硫族化合物：使用三氧化钨与硫粉作为化学气相沉积反应源，将基底倒扣在置于反应室腔正中间存放三氧化钨的石英舟上，硫粉置于石英舟中放在反应腔室上风口处，控制反应温度和反应时间，在基底上生长沉积，形成二硫化钨薄膜。这种方法中三氧化钨粉末直接作为化学气相沉积的反应源，不利于三氧化钨反应源量的控制；其次，该方案中由于采用三氧化钨粉末作为反应源，所以其源的放置位置只能处于下方的石英舟中，源的位置无法选择；第三，该方案中由于三氧化钨粉末放置于下方石英舟中，这使得蒸发的三氧化钨气体分子会受到重力的作用，较难上升到上方的衬底上反应生成二维层状材料，因此成核率较少和重复性较差。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有的二维层状材料成核密度低，生长不均一的技术问题，提供一种二维层状材料的制备方法，将金属化合物或混合物源置于用于生长二维层状材料的第二衬底的上方，非金属源位于上风向，通过重力和局域空间的限制作用，使得二者反应缓缓沉积在第二衬底上，该方法可制备高成核生长密度、厚度均匀性良好的二维层状材料，且实验的可重复性和可控性良好。

本发明还提供所述二维层状材料的制备装置，其结构设计紧凑、可控性强。

具体方案如下：