[發明專利]一種有效提升單層二維過渡金屬硫族化合物產率、品質的方法

有效

• 申請號: 201710979013.1
• 申請日: 2017-10-19
• 公開（公告）號: CN107815663B
• 公開（公告）日: 2019-12-31
• 發明（設計）人: 李賀楠;時玉萌;李捷妮
• 申請（專利權）人: 深圳大學
• 主分類號: C23C16/30
• 分類號: C23C16/30
• 代理公司: 44248 深圳市科吉華烽知識產權事務所(普通合伙)
• 代理人: 張立娟

本發明屬于材料技術領域，特別涉及一種有效提升單層二維過渡金屬硫族化合物產率的方法。首先將MO_x前驅物在氣氛環境下退火處理，或者利用等離子體處理，或者同時采用等離子體處理加氣氛下熱處理，改變前驅物表面的氧缺陷種類和數量，進而改變M的表面價態；然后，以處理后的MO_x為M源；X源為S粉或Se粉，利用CVD方法來制備單層的MX₂。通過選擇適合的預處理方法，實現M源的穩定供給，可在無氫氣提供的條件下制備高產量、大尺寸、高品質的二維材料。

技術領域

本發明屬于材料技術領域，特別涉及一種有效提升單層二維過渡金屬硫族化合物產率、品質的方法。

背景技術

單層二維過渡金屬硫族化合物(2D TMDCs)具有優異的電學、光學、熱學以及機械性能，在邏輯器件、集成電路和光電器件方面都有非常大的應用前景。2D TMDCs為一系列層狀材料，化學式為MX₂,其中單層的TMDC由一層過渡金屬M夾在兩層硫族元素X中間組成。當材料接近或者成為單層時，TMDC由間接帶隙變為直接帶隙，表現出許多區別于體材料的特性，如強的光敏特性和壓電耦合特性等，這些優異的性能將TMDC的應用進一步擴展到壓電耦合納米發電機、晶體管、光電探測器以及納米催化領域。

目前，化學氣相沉積技術是制備單層2D TMDCs及其異質結構的主要方法，已實現可靠的制備單層MoS₂，WS₂，MoSe₂，WSe₂等多種2D TMDCs 材料。此制備方法具有合成設備簡單，合成速度快，材料層數可控等諸多優勢，并且與目前硅半導體工藝具有很好的兼容性。當前，化學氣相法制備2D TMDCs主要的研究及產業化熱點之一便是如何進一步提升所制備晶體的產率以及品質。

在目前報道的化學氣相沉積法(CVD)制備單層TMDC技術中，直接將金屬氧化物(MO_x，x＝2或3)作為M源和X源放入管式爐中，高溫加熱，使得蒸發的X源和MO_x反應，在保護性氣體環境下(氬氣與氫氣按一定比例混合)將其還原，從而在襯底上長出許多單層或者多層MX₂。CVD法使得X源與M源在高溫下蒸發，生成的MX₂直接沉積在襯底上，工藝流程簡單，制備出的MX₂純度較高，結晶性好，且層數可控，使得材料能更好的應用于光電器件中。

例如，CN106048556A公開了一種設置于基材上的金屬硫屬化合物膜，其包括至少一個(例如，1至10個單層)的金屬硫屬化合物單層，所述膜的制得方法是在低的水濃度下進行。CN105800566A公開了一種交替注入反應物生長單層和多層過渡金屬硫化物的方法。該方法使反應物交替進行沉積反應，通過控制反應溫度與時間控制過渡金屬硫化物生長的層數與面積，得到高質量的過渡金屬硫化物的層狀物。

已有的CVD技術中通常采用金屬氧化物(MO_x)作為反映前驅物，由于多種因素，反應前驅物通常具有多種表面態，在材料合成過程中，這些表面態極有可能影響反應前驅體氣化速率，使得二維層狀晶體產生晶體缺陷，所制備的MX₂形貌和光學特性有著極大的差異，造成單層二維材料的品質下降。

發明內容

本發明專利提出一種反應前驅物處理的簡便方法，不同反應前驅物處理方法制備的2D TMDCs進行對比發現，所開發的前驅物處理工藝可有效提升2D TMDCs的產率，并且可將單晶尺寸提高10倍以上，所制備的單晶尺寸接近100微米。通過反映前驅物的處理，還可以避免在合成過程中使用氫氣，從而降低了氫氣在高溫合成過程中造成可逆反應而在晶體中引入缺陷的可能。同時由于反應中避免了氫氣的使用，而使得材料合成的安全性大大地提高。