[发明专利]一种硫化锡/二硫化钼混合维度范德华异质结的制备方法

说明书

本发明公开了一种硫化锡/二硫化钼混合维度范德华异质结的制备方法，其制备方案包括以下步骤：首先以氧化钼粉末和硫粉作为反应前驱体，氩气作为载气，在双温区管式炉中加热反应生长出单层二硫化钼；然后以硫化锡粉末和硫粉作为反应前驱体，氩气作为载气，以生长有二硫化钼的衬底作为生长基底，在双温区管式炉中加热反应生长出硫化锡/二硫化钼混合维度范德华异质结。本发明制备的异质结由一维硫化锡和二维单层的二硫化钼所构成，所述硫化锡纳米线外延生长在所述二硫化钼的表面；该异质结材料化学性质稳定，光谱响应范围宽，且具有II型的能带结构便于光生载流子分离，在光电器件领域具有广泛的应用前景。本发明所采用的分步化学气相沉积法制备所述硫化锡/二硫化钼混合维度范德华异质结具有晶体质量高、制备成本低、工艺简单、可重复高等优点。

技术领域

本发明属于低维半导体异质结材料与器件领域，具体涉及一种硫化锡/二硫化钼混合维度范德华异质结的制备方法。

背景技术

低维层状的金属硫族化合物因为具有较高的结构稳定性以及优异的光学、电子和电化学性质在纳米电子、光电器件、能源转换和存储领域展现出广泛的应用前景。在这些金属硫族化合物材料中，硫化锡（SnS）是一种储量丰富、无毒稳定的窄带半导体材料，带隙值约为1.1 eV，在制备合成过程中因容易形成锡空位缺陷从而表现出p型特征；二硫化钼（MoS2）是研究最为广泛的二维半导体材料，且在单层情况下为直接带隙，带隙值约为1.86eV；二硫化钼因在制备过程中容易产生硫空位缺陷而表现出本征的n型特征。因此，将硫化锡和二硫化钼范德华集成SnS/MoS2异质结不仅能够自发形成p-n结，而且可以利用两种材料在带隙上的差异拓宽其光谱响应的范围。此外，二硫化钼与硫化锡结合时表现出II型的带阶，可以有效促进光生载流子的分离，这使得硫化锡/二硫化钼范德华异质结在太阳能电池、光电探测器和光催化领域极具应用潜力。

要实现硫化锡/二硫化钼范德华异质结在上述光电器件上的应用，制备高结晶、形貌尺寸可控的硫化锡/二硫化钼异质结材料是重要的前提。但是，以往的研究大多聚焦硫化锡、二硫化钼单一材料或者二维SnS/MoS2和SnS2/MoS2范德华异质结的制备，而由一维的硫化锡纳米线和二维单层的二硫化钼构成的SnS/MoS2混合维度范德华异质结目前尚未见报道。相比二维的SnS/MoS2和SnS2/MoS2范德华异质结，一维硫化锡/二维二硫化钼混合维度范德华异质结具备如下几个方面结构和性质上的优势：(1) 有利于形成对载流子空间分布上的限制和调控；(2)有助于栅极电压独立调控异质结组成材料的能带结构；(3) 便于器件制备和电极接触；(4) 一维的硫化锡表现出与二维硫化锡不同的相结构，缺陷密度低，暗电流小。目前制备层状金属硫族化合物及其异质结材料的方法主要包括：机械剥离转移、水热合成和化学气相沉积(CVD)方法等。在这些方法中，机械剥离方法是首先将硫化锡和二硫化钼从单晶样品中剥离下来，然后通过干法或者湿法转移将这些二维材料堆叠形成异质结，其优势在于能够保证这些材料的本征物性，缺点是容易形成表面沾污且产量较低。水热合成方法是通过溶液环境下化学反应和退火处理工艺获得金属硫族化合物，其优点是产量较高；但是，获得的异质结纳米材料尺寸小、且结构和形貌可控性较差。相比之下，化学气相沉积(CVD)是目前制备大面积、高质量层状金属硫族化合物材料和异质结材料最有效的方法。但是，目前该方法难以直接合成一维/二维混合维度范德华异质结。在专利《一种Te/MoS2范德华异质结构及其制备方法和应用》(申请公布号：CN 109065662 A)中，虽然实现了用化学气相沉积（CVD）在MoS2纳米层表面外延生长Te纳米线，构成了混合维度的范德华异质结，但是外延生长的Te纳米线大量分布在MoS2表面，且纳米线尺寸小，形貌较差不利于器件的接触应用。因此，发展一种能够实现高质量硫化锡/二硫化钼混合维度异质结材料的制备方法具有重要的意义。

发明内容

在为了克服目前制备方法的不足，本发明提供了一种硫化锡/二硫化钼混合维度范德华异质结的制备方法。本发明制得的硫化锡/二硫化钼混合维度范德华异质结是由一维硫化锡纳米线和二维单层二硫化钼垂直堆叠构成的混合维度半导体异质结。本发明采用分步化学气相沉积方法实现了硫化锡/二硫化钼混合维度范德华异质结在SiO2/Si、云母等衬底上的高质量可控稳定的生长且具有以下优点：