[发明专利]二维过渡金属硫族化合物及其制备方法和器件

说明书

本发明公开了一种二维过渡金属硫族化合物及其制备方法和器件，该制备方法包括以下步骤：取液态过渡金属源覆于衬底上；利用载气将液态硫族源输送至所述衬底处，所述硫族源为硫醇、硒醇或碲醇，在密闭环境内进行加热反应得到二维过渡金属硫族化合物。本发明利用液态的过渡金属源和液态的硫族源作为反应前驱体，容易通过控制反应前驱体的浓度来构建稳定的前驱体浓度场生长体系，从而促进了过渡金属硫族化合物的均匀成核和生长，使得制备得到的过渡金属硫族化合物材料的形貌、厚度、晶畴尺寸在衬底上的密度分布更加均匀，具有优异的光学、电学性质和广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及二维材料技术领域，尤其是涉及一种二维过渡金属硫族化合物及其制备方法和器件。

背景技术

石墨烯等二维材料是近年来新兴的科学研究和重大产业研发的前沿方向。2004年石墨烯的发现引起了学术界和产业界的轰动，吸引了物理学、材料学、电子电工学、化学等领域专家学者和工程技术人员的广泛关注，并在其中发现了一系列新奇物理现象及广阔的应用前景。二维材料有着与传统三维体材料截然不同的特性，因而有可能迅速在能源储存与转化、电子与光电器件、催化、传感、热管理等领域获得应用。在众多二维材料中，二维过渡金属硫族化合物具有以下特征：(1)材料表面没有悬键，即使在原子级厚度下(1nm)，也不会对电子器件中迁移的载流子造成大的散射，进而大大减弱了材料表面态对器件性能的不利影响；(2)二维材料具有平面结构，与当前硅基半导体工艺的器件制作流程兼容性好；(3)二维材料具有良好的机械性能，可满足柔性、可穿戴等需求；(4)二维过渡金属硫族化合物具有丰富的材料种类、可调的带隙(介于0.8～2.2eV)。因此，二维过渡金属硫族化合物材料的制备逐渐引起研究人员的广泛重视。

化学气相沉积(CVD)是实现二维材料可控制备的有效技术。现阶段CVD生长二维过渡金属硫化物的方法往往是采用固态源(如过渡金属氧化物和硫粉粉末)，加热使之挥发而作为反应前驱体。然而，由于过渡金属氧化物和硫粉往往具有显著不同的蒸气压，反应过程需要精确地控制温度和压力以获得稳定的前驱体气流。这使得过渡金属硫族化合物的生长往往需要高温、低压等苛刻条件，以促使足够多的气相过渡金属前驱体到达反应衬底进而参与材料生长(ACS Nano,2015,9,6119)。为了解决这个问题，研究人员尝试在前驱体中加入例如3,4,9,10-二萘嵌苯四甲酸钾盐、还原氧化石墨烯(Nano Letters,2013,13,1852)、氯化钠(Applied Materials Today,2015,1,60)等成核促进剂。这些添加物容易跟高熔点的前驱体(例如MoO₃)反应形成易挥发的中间体，进而促进反应的进行。利用这种方法，研究人员成功合成了多达47种二维TMDCs材料，证明了这种方法的普适性(Nature,2018,556,355)。随后，科学家提出了这种盐辅助生长的气-液-固反应机理(Nature Materials,2018,17,535)，包括以下几步：(1)在高温下，MoO₃蒸气和NaCl形成Na-Mo-O的小液滴；(2)S蒸汽溶解在形成的Na-Mo-O液滴中；(3)随着液滴的移动，MoS₂纳米带或者片层开始在衬底上生长。

尽管TMDCs的制备已经取得较大发展，然而，利用固态前驱体生长仍存在反应源不可控的问题。这与CVD方法生长石墨烯完全不同。在石墨烯的生长过程中，稳定流量和持续供应的CH₄和H₂能够保证石墨烯的生长过程处于稳定可控的气流氛围中。然而，不同于气态前驱体，固体前驱体随着反应时间的增加会逐渐挥发，导致剩余的量逐渐减少。此外固体粉末挥发的速率对温度和压力十分敏感，以至于样品质量在很大程度上取决于衬底所放置的位置(Chemistry of Materials,2014,26,6371)。实验结果发现，不同于气态和液态前驱体，固体粉末的加热挥发会在管式炉中形成前驱体的浓度梯度，以至于生长得到的MoS₂形貌高度依赖衬底所放置的位置。这些因素导致固态源作为前驱体的实验具有可控性和重复性不高的问题。