[发明专利]一种三类单层硒化铜超结构同时制备及调控的方法

说明书

本发明公开了一种三类单层硒化铜超结构同时制备及调控的方法。在该方法中，通过在超高真空环境下利用偏心沉积的策略，将高纯度的硒粉末蒸发沉积到干净的铜单晶基底上，然后将样品升温到生长温度后对样品进行退火处理，之后在样品表面获得了三种单层硒化铜超结构共同存在的样品（三种超结构分别为周期纳米孔洞结构，周期花瓣结构，一维莫尔条纹结构）。此外，通过增加偏心沉积硒粉末的时间，精确调控了三种单层硒化铜超结构在样品表面所占的面积。该方法为其它单层二维材料的结构转变提供了新的路径与方法，具有较高的科研价值和广泛的应用潜力。

技术领域

本发明涉及纳米材料技术领域，具体地涉及一种利用硒粉末密度调控单层硒化铜二维原子晶体材料表面超结构转变的方法。

背景技术

二维材料由于其丰富的理化性质和潜在且巨大的应用价值成为最近科研界的热点话题，这也为新型电子器件的发展提供了新机遇。在所有具有类石墨烯结构的单层硒化铜二维材料当中，二维过渡金属二硫属化合物材料受到了广泛关注。具有“三明治”结构的TMD材料被预测能够稳定存在的数量高达数十种，不仅具有多种相结构（1T，2H，3R等），而且覆盖了多种电学性质（从绝缘体到半导体，再到半金属，最后到金属）。近年来，作为二维过渡金属硫属化合物家族的另一类新成员，二维过渡金属单硫属化合物（TMM）逐渐进入科学家的视野。单层硒化铜二维半导体材料是过渡金属单硫属化合物的代表之一。依赖于硒粉末的密度，单层硒化铜二维半导体材料具有两种完全不同表观形貌（一维莫尔条纹结构和周期纳米孔洞结构）：为了释放由于晶格失配产生的应力，单层硒化铜表面沿着Cu(111)基底高对称方向的硒化铜晶格被拉伸，而其它两个方向的晶格保持不变，进而单层硒化铜在铜基底上形成了一维莫尔条纹结构（低硒粉末密度）；为了释放由于晶格失配产生的应力，单层硒化铜表面也可以形成六角排列的周期纳米孔洞结构（高硒粉末密度），孔洞的形状是边长为1 nm的等边三角形。由于晶格对称性，三角形纳米孔洞具有两种取向，并且两种取向硒化铜畴界处由平行四边形孔洞连接。

二维材料表面莫尔条纹引起的表面超结构主要是由晶格失配或者层间旋转造成的。二维材料表面超结构的模板效应，被广泛应用于构建各种有机分子/二维材料的异质结构。此外，二维材料表面的超结构由于其形成的表面偶极效应，可以构建结构和/或图案化的外来分子基序，形成定向或特定位置的吸附行为，并且在纳米尺度上具有模板调制的金属团簇原子间磁自旋耦合现象。另外，超结构外加的周期势对二维材料的能带也有显著的调制作用。近年来，二维材料相互堆叠形成的超结构展现了许多新奇物性，例如：2018年研究者通过两层石墨烯以1.1°转角堆叠形成的莫尔超结构，发现体系中出现了关联绝缘态、超导态、铁磁态等一系列强关联量子现象，几乎囊括了当今凝聚态物理的几大重要热门话题。然而，偏离1.1°转角的双层石墨烯就不会出现新奇物性，预示着不同层间耦合引起的表面莫尔条纹（表面超结构）变化对体系物性有着重大影响。因此，调控二维材料表面的超结构对其物性研究有着重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种三个单层硒化铜超结构同时制备及调控的方法。具体地，本发明利用偏心沉积的策略，将硒粉末沉积到铜单晶基底表面，以获得不同硒粉末密度梯度的样品；将所述样品升温到生长温度后对所述样品进行退火处理，以获得三个单层硒化铜超结构共同存在的样品；通过增加偏心沉积硒粉末的时间，可以调控三个单层硒化铜超结构在铜基底表面所占的面积。

本发明通过以下技术方案来实现的：在超高真空环境下，将硒粉末蒸发并偏心沉积到25~30℃的干净铜单晶基底表面，沉积时间为30~40分钟，从而在铜基底表面制备得到同时具有周期纳米孔洞结构、周期花瓣态结构、一维莫尔条纹结构的单层硒化铜二维原子晶体材料。通过增加偏心沉积硒粉末的时间，可以调控三个单层硒化铜超结构在铜基底表面所占的面积