[发明专利]一种铌掺杂二维硫化钨晶体材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种铌掺杂二维硫化钨晶体材料的制备方法，采用化学气相沉积法，以Si/SiO₂为衬底，金属钨箔为钨源，金属铌箔为铌源，生长衬底倒扣在金属钨箔上，金属铌箔面积小于金属钨箔面积，生长衬底一端直接与金属钨箔接触，另一端在铌源的正上方，与硫蒸气反应，在衬底上制备得到了一种铌掺杂二维硫化钨晶体材料。所得的单层铌掺杂硫化钨晶体材料，可作为晶体管的沟道材料应用于超薄高效场效应晶体管领域。

技术领域

本发明属材料制备技术领域，尤其涉及一种铌掺杂二维硫化钨晶体材料的制备方法。

背景技术

自石墨烯发现以来，具有优异光、电、热学性能的超薄二维半导体材料，如过渡金属二硫化物(TMDs)、黑磷、氮化硼(BN)等，备受关注，而且在场效应晶体管、光探测器、发光二极管、能源等领域有着可期的应用潜力。与块材相比，以二硫化钨(WS₂)为代表的薄层二维TMDs具有与层数相关的间接-直接带隙转变、可调带宽、高的光发射效率、丰富的激子、良好的柔性等优异特性。截止目前，已利用化学气相沉积法、脉冲激光沉积法、金属有机化学气相沉积法等方法制备出多种形貌各异的单层TMDs晶体，不同形貌以及不同层数二维TMDs晶体生长的研究，有助于明确其生长过程并确立其内在的生长机制，从而极大地促进了二维原子晶体的可控生长。高品质二维TMDs原子晶体的可控生长，有望加快实现其在高性能、低能耗超薄光电子器件领域的应用。

WS₂晶体可呈现出优异的物理特性，如从块体到单层，不仅可以从间接带隙转变为直接带隙，具有较宽的层数可调控带隙(1.3～2.1电子伏特)，更强的光-物质相互作用和自旋谷耦合现象等物理性质。另外，WS₂在可见光和近红外光谱区有更强的荧光发射。同时，基于WS₂构建的晶体管具有高的开/关比(～10⁷)，其载流子迁移率可达到214cm²V^-1s^-1。然而，单层WS₂晶体的电学特性还有待进一步提高。虽然通过掺杂或合金化的途径构建得到了Mo_1-xW_xS₂，WS_2xSe_2(1-x),WTe_2xS_2(1-x)，可以看出是基于同族具有相同最外层电子的元素进行取代而得到的掺杂或合金化的三元WS₂基二维晶体，从而很难改变WS₂的载流子类型以及密度，这将很难实现WS₂的光、电学性能的调变。目前，化学气相沉积法已经被证实是制备高品质薄层WS₂晶体最为有效的方法，基于实验参数的调控，已合成出多种不同形貌的单层WS₂晶体。

然而，利用一步化学气相沉积法实现铌(Nb)掺杂二维WS₂晶体材料的可控生长，还有待进一步研究。Nb掺杂的单层WS₂晶体不仅可以实现半导体向金属性的转变，具有更高的载流子密度，而且还可调变单层WS₂晶体的发光性质。因此，还有待开发一种简单可行的途径实现Nb掺杂二维硫化钨晶体材料的制备，并有望进一步优化和研究其光电性能，从而满足其在场效应晶体管、光探测器以及光子器件等领域的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铌掺杂二维硫化钨晶体材料的制备方法，通过化学气相沉积法实现铌掺杂二维硫化钨晶体材料的制备，从而利用一步法实现铌掺杂二维硫化钨晶体材料的生长；同时该方法操作工艺简单、成本低、无催化剂且对环境友好。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种铌掺杂二维硫化钨晶体材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、以Si/SiO₂为生长衬底，金属铌箔为铌源，金属钨箔为钨源，硫粉为硫源；