[发明专利]掺杂型过渡金属硫族化合物薄膜及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了掺杂型过渡金属硫族元素化合物薄膜及其制备方法和应用，该制备方法包括以下步骤：提供衬底，衬底的内部具有过渡金属源，所述衬底的表面具有异质金属源；将硫族元素源与所述衬底接触，在保护性气氛中加热，发生化学气相沉积反应，得到掺杂型过渡金属硫族化合物薄膜。过渡金属源在加热处理过程中，从衬底中不断扩散并从衬底的表面析出。析出的过渡金属源与硫族元素源在保护性气氛中发生化学气相沉积反应，而异质金属源在过渡金属硫族化合物的生长过程中嵌入晶格，得到掺杂的样品。本方法所采用的双面反应源供给策略提升了对掺杂的金属元素浓度的调控能力，并解决了单面源模式下多种金属元素掺杂时的普适性问题。

技术领域

本申请涉及二维材料技术领域，尤其是涉及掺杂型过渡金属硫族化合物薄膜及其制备方法和应用。

背景技术

二维过渡金属硫族化合物作为一类新型半导体材料，具有独特的物理性能，在电学、光学以及磁学等领域有着广泛的应用前景。其原子级厚度的特性及无悬挂键的表面使其在晶体管应用中能克服短沟道效应，符合堆叠封装的技术发展趋势，进而使得该类材料成为延续摩尔定律的潜在选择。然而，如何高效地改进和调控该类材料的性能以进一步推进其在上述领域中的应用，依然是一个亟待解决的问题。相比于化学功能化，过渡金属元素取代掺杂的方法通过将异质原子引入二维材料晶格中，是一种更加稳定、高效地对二维过渡金属硫族化合物进行性能调控的手段。通过过渡金属元素取代掺杂可实现对二维过渡金属硫族化合物电子浓度、能带结构的改变，并赋予其铁磁性等新的物理性能。

但是，传统的对二维过渡金属硫族化合物进行过渡金属元素取代掺杂方法多采用固体粉末前驱体，且不同前驱体在通过载气输运往反应区的过程中会提前混合。这种不均匀混合降低了材料生长反应的可控性和可重复性，且很容易在材料的上下表面引入杂质颗粒或缺陷，不利于高质量二维材料的制备及其掺杂。此外，对于铁、钴等过渡金属元素，由于其掺杂生长过程中前驱体饱和蒸气压较低，很难通过传统取代掺杂方法实现此类元素对单层过渡金属硫族化合物的掺杂。对此，研究人员提出将掺杂金属源与钼源同时置于夹层玻璃中进行金属掺杂硫化钼生长的方案，但该方法对于掺杂金属原子浓度的调控能力十分有限且不具备很好的普适性。另有方案提出一种多金属掺杂二硫化钼材料的方法，这种方法以三氧化钼为基底，在三氧化钼层间插入多种金属原子后再进行硫化反应，但这种方法不适用于对单层过渡金属硫族化合物进行掺杂。考虑到二维过渡金属硫族化合物的独特物性及其应用前景，需要探索出一种适用于过渡金属硫族化合物薄膜的新型取代掺杂方法，能够实现掺杂浓度的可控性和多种异质原子的取代掺杂。

发明内容

本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本申请提出一种能够实现掺杂浓度的可控性和多种异质原子的取代掺杂的掺杂型过渡金属硫族元素化合物薄膜的制备方法。

本申请还提出一种利用上述制备方法制备得到的掺杂型过渡金属硫族元素化合物薄膜。

本申请还提出一种上述掺杂型过渡金属硫族元素化合物薄膜的应用。

本申请的第一方面，提供掺杂型过渡金属硫族元素化合物薄膜的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

提供衬底，衬底的内部具有过渡金属源，所述衬底的表面具有异质金属源；

将硫族元素源与所述衬底接触，在保护性气氛中加热，发生化学气相沉积反应，得到掺杂型过渡金属硫族化合物薄膜。

根据本申请实施例的制备方法，至少具有如下有益效果：