[发明专利]一种硫化锡/二硫化锡异质结材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种硫化锡/二硫化锡异质结材料及其制备方法，使用硫粉作为硫源，硫化锡粉末作为锡源，在标准大气压条件下，采用一步化学气相沉积方法在氟金云母片上得到高结晶性、分布均匀的一维硫化锡/二维二硫化锡混合维度异质结材料。本发明所采用的制备方法操作简便、重复性好，通过简单地调节硫粉温区和硫化锡温区的温度的得到了高质量混合维度异质结中最佳生长参数。通过本发明所制得的一维硫化锡/二维二硫化锡混合维度异质结具有独特的光电特性，在纳米电子和光电子器件领域具有潜在的应用价值。

技术领域

本发明属于低维半导体异质结材料领域,具体涉及一种准一维(1D)硫化锡与二维(2D)二硫化锡形成的混合维度异质结材料及其制备方法。

背景技术

锡基硫族化合物材料因其地球含量丰富、高光吸收系数和可调节带隙等优异的光电性质，在新型电子和光电子器件应用中展现出巨大的应用潜力。在这些锡基硫族化合物材料中，硫化锡(SnS)和二硫化锡(SnS₂)为层状范德华材料，使得它们能够通过机械剥离或者气相外延方法获得二维薄层结构。其中，SnS为窄禁带半导体(带隙值约为1.1eV)，所合成的纳米结构通常表现为n型特征；而SnS₂具有相对较大的禁带宽度(带隙值约为2.2eV)、高载流子迁移率以及较高的光学吸收系数，且制备的纳米结构易于表现出p型特征。因此，由硫化锡和二硫化锡构成的SnS/SnS₂异质结构不仅能够形成天然的p-n结,而且可以利用两种材料带隙上的显著差异拓宽其光谱吸收的范围；此外，窄带隙SnS和宽带隙SnS₂构成的异质结形成特殊Ⅱ型带排列，从而有效分离光生电子和空穴，使得它们能够进一步应用于光电探测器、光伏器件和光催化等领域。

要实现其在光电器件上的应用，制备高质量、形貌可控的SnS/SnS₂异质结材料是重要的前提。以往的研究大多聚焦二维SnS/SnS₂范德华异质结的制备，而由一维SnS纳米线和二维SnS₂纳米片构成混合维度异质结尚未见报道。相比二维SnS/SnS₂范德华异质结，一维SnS/二维SnS₂混合维度异质结能够表现出如下几个方面的优势：(1)有助于创造其载流子在平面空间分布上的限制；(2)有助于栅电压独立调控异质结组成材料的能带结构；(3)易于电极的平面接触。这些性质特点和优势使得一维SnS/二维SnS₂异质结在电子和光电子器件方面具有极为广阔的应用前景。目前，制备SnS/SnS₂异质结材料的方法主要包括：力学剥离转移法、水热合成和分步化学气相沉积等。其中，力学剥离转移法是首先将SnS和SnS₂从单晶样品剥离下来，然后通过湿法或干法转移的方法堆叠形成异质结，其优势在于能够保证材料的本征属性，但该方法容易引起异质结表界面的污染，且产率较低。水热合成方法是基于溶液的自组装、模板辅助生长和热处理过程，适合制备大批量的纳米材料，但是获得的异质结材料尺寸较小且形貌和结构难以控制；此外，溶液中的外部杂质等附着在界面之间会严重降低异质结的性能和稳定性。分步化学气相沉积法(CVD)是基于CVD方法是分步生长SnS和SnS₂材料；在生长过程中，通常以生长的第一种材料为基底，在其侧边或垂直方向外延生长其它材料；这种方法有利于制备出大面积的异质结，但生长过程难以控制，容易引起单晶和混合晶体的出现；同时，分步CVD方法制备得到的异质界面容易存在缺陷，导致异质结晶体质量较低。因此，发展新的制备方法去获得高质量、形貌可控的一维SnS/二维SnS₂混合维度异质结对于实现其器件应用尤为重要。

发明内容

为了克服现有制备技术上的不足，本发明提供了一种硫化锡/二硫化锡异质结材料及其制备方法。本发明制得的硫化锡/二硫化锡异质结是由一维硫化锡纳米线与二维二硫化锡纳米片构成的混合维度异质结，该发明提供的制备方法是通过一步化学气相沉积法在云母衬底上可控生长一维硫化锡/二维二硫化锡异质结；该发明方法实现了一维硫化锡/二维二硫化锡混合维度异质结的可控和稳定生长，并有效避免生长过程中形成独立的一维纳米线和二维纳米片。