[發明專利]一種制備過渡金屬硫屬化合物納米薄片的方法和二硫化釩、二硒化釩納米薄片

有效

• 申請號: 201611076043.3
• 申請日: 2016-11-30
• 公開（公告）號: CN107445204B
• 公開（公告）日: 2019-07-23
• 發明（設計）人: 張艷鋒;張哲朋;紀清清
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: C01G31/00
• 分類號: C01G31/00;B82Y40/00
• 代理公司: 北京方安思達知識產權代理有限公司 11472
• 代理人: 王宇楊;李彪

本發明公開了一種利用化學氣相沉積制備金屬性過渡金屬硫屬化合物納米薄片的方法，包括：1)在相對于基底的氣流上游依次放置三氯化釩粉末和硫屬單質，后去除殘留的空氣；2)通入氣體，在氣流穩定后，將硫屬單質、三氯化釩和基底分別加熱至不同溫度，之后恒溫，在基底上生長得到金屬性過渡金屬硫屬化合物納米薄片。本發明的方法還可以實現這兩種材料的納米級厚度薄片的可控合成。本發明還公開了利用前述方法制備得到的具有特定厚度和尺寸的納米薄片。

技術領域

本發明屬于材料領域，具體地涉及利用常壓化學氣相沉積的方法，在硅片或云母實現高效、低能耗的可控制備厚度在納米尺寸的金屬性的過渡金屬硫屬化合物，如二硫化釩和二硒化釩納米薄片。

背景技術

過渡金屬硫屬化合物(MX₂,M＝過渡金屬；X＝S,Se,Te)是類石墨烯二維層狀材料中重要的一個類，不同副族的過渡金屬原子和不同的硫屬原子組合成了一個結構相似、性質各異的過渡金屬硫屬化合物大家族。其中第六副族金屬(Mo,W)的硫屬化合物通常為半導體，能夠彌補零帶隙的半金屬性石墨烯在電子器件應用上的不足。其在可見光范圍類的直接帶隙、強的光-物相互作用和優異的柔韌性使其在柔性電子學器件和光電子學器件方面有廣闊的應用前景。除此之外，第五副族的過渡金屬(V,Nb,Ta)硫屬化合物為金屬性，因其豐富的物理性質如磁性、電荷密度波、超導等而引起了人們的廣泛關注。二硫化釩，擁有不同于半導體性二硫化鉬或二硫化鎢的金屬性能帶結構，是一種典型的金屬性過渡金屬硫屬化合物，其金屬性的特征使其在超級電容器和濕度傳感器等方面有巨大的應用價值。更重要的是，這種金屬性的二維過渡金屬硫屬化合物與其他半導體和絕緣體性質的二維材料結合有望實現全二維材料構筑的原子層厚度的電子學器件(金屬、半導體和絕緣體)，例如利用金屬性的過渡金屬硫屬化合物代替傳統電極材料可以有效減小二硫化鉬器件中的接觸電阻，從而提高二硫化鉬電子學器件的載流子遷移率。二硒化釩中，四價釩原子間的強的電子-電子耦合作用使其具有金屬性，同時也具有一種電荷密度波行為。同時其中3d軌道的孤電子提供了豐富的自旋相互作用信息，因而使得二硒化釩是一種具有磁性的二維層狀材料，在下一代自旋電子器件中有重要的應用前景。

目前制備金屬性過渡金屬硫屬化合物納米薄片一般有兩種方法：

1.利用濕化學反應的方法得到二硫化釩或二硒化釩的粉末晶體的溶液，在利用液相剝離的方法分散得到二硫化釩或二硒化釩的納米薄片。

2.利用化學氣相輸運的方法長時間的煅燒按化學計量比混合的單質粉末合成二硫化釩或二硒化釩的塊材，再用機械剝離方法剝離出二硫化釩或二硒化釩的納米薄片。

然而這兩種方法都存在各自的缺點。前者利用濕法化學反應合成后液相剝離得到的二硫化釩或二硒化釩納米片的橫向尺寸往往在納米級別，無法利用微納加工技術將其應用到電子學器件中。后者長時間高溫反應過程耗能高且效率低，機械剝離得到的二硫化釩或二硒化釩納米薄片的厚度、形狀和橫向尺寸均無法控制，具有均一厚度、規則形狀的納米薄片尚未被制得。這兩種制備方法的不足限制了二硫化釩或二硒化釩納米薄片的研究和應用發展，所以有必要發明一種新的高效節能且可控的制備二硫化釩或二硒化釩納米薄片的方法。

發明內容

本發明的一個目的是提供一種采用化學氣相沉積制備金屬性過渡金屬硫屬化合物納米薄片的方法，并利用該方法高效節能、厚度和橫向尺寸可控的大面積合成二硫化釩或二硒化釩納米薄片。

本發明提供的制備過渡金屬硫屬化合物納米薄片的方法，包括以下步驟：

1)在相對于基底的氣流上游依次放置過渡金屬所成鹽的粉末和硫屬單質，后去除殘留的空氣；

2)通入載流氣體，在氣流穩定對反應腔加熱，硫屬單質、過渡金屬所成鹽和基底的分別加熱至不同溫度，之后恒溫，在基底上生長得到金屬性過渡金屬硫屬化合物納米薄片。

作為上述技術方案的一個優選，所述基底為硅片或云母片。此處的硅片或者云母片可以是購買的商業硅片或云母片