[發(fā)明專利]一種過渡金屬硫族化合物能隙調(diào)控的方法

在審

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• 申請日: 2019-03-13
• 公開（公告）號: CN110095505A
• 公開（公告）日: 2019-08-06
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉鮑;周鵬宇;郭振東;侯樸賡
• 申請（專利權(quán)）人: 東北電力大學
• 主分類號: G01N27/04
• 分類號: G01N27/04
• 代理公司: 吉林市達利專利事務(wù)所 22102
• 代理人: 陳傳林

一種過渡金屬硫族化合物能隙調(diào)整的方法，其壓力的產(chǎn)生裝置為金剛石對頂砧，通過在金剛石壓砧上集成范德堡電極，在原位測量壓力作用下，根據(jù)電阻率變化規(guī)律，檢測過渡金屬硫族化合物能隙調(diào)控效果，壓力步進精度高，對于過渡金屬硫族化合物能隙的壓縮連續(xù)可調(diào)，采用范德堡法測量樣品電阻率，并根據(jù)電阻率數(shù)據(jù)以及電阻率隨溫度變化關(guān)系判斷過渡金屬硫族化合物能隙閉合情況，不僅適用于單晶樣品而且對多晶粉末樣品也有效，適用范圍更廣，可操作性強，效果佳。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及高壓物理技術(shù)和半導體電子結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，特別是涉及一種過渡金屬硫族化合物能隙調(diào)整的方法。

背景技術(shù)

過渡金屬硫族化合物是一類傳統(tǒng)的無機半導體材料，其化學通式常用MX₂表示，M＝Mo、W等，X＝S、Se、Te。TMDs具有典型的層狀結(jié)構(gòu)，每一層都是三明治X-M-X的形式，即過渡金屬在中間，上下分別依靠共價鍵連接硫族元素的原子，三明治結(jié)構(gòu)的層依靠范德瓦爾斯力相互堆疊形成體材料的晶格結(jié)構(gòu)。

過渡金屬硫族化合物具有半導體屬性，壓力的增加使其晶胞變小，布里淵區(qū)亦被壓縮，能隙變窄，價帶上的電子更容易躍遷到導帶參與導電，宏觀上能隙變窄表現(xiàn)為樣品電阻率降低。溫度升高可以使價帶中的能級或能隙中的雜質(zhì)能級進入導帶參與導電，所以半導體的電阻率隨溫度的升高而降低。能隙閉合后其能帶結(jié)構(gòu)類似于金屬，溫度的升高會使原子實在其平衡位置附近振動加劇，自由電子與原子實之間的碰撞機會就越大，也就越阻礙電子的定向運動，故能隙閉合后，材料的電阻率隨溫度的升高而升高。

2004年，曼切斯特大學Geim小組成功分離出單原子層的石墨材料—石墨烯(graphene)，二維材料是隨著單原子層的石墨材料—石墨烯成功分離而提出的，過渡金屬硫族化合物很容易通過機械剝離等手段獲得寶貴的二維材料。二維材料石墨烯擁有優(yōu)越的電子傳輸性能、光學特性、熱學特性，其在能源領(lǐng)域有著十分巨大的潛力，但從本質(zhì)上來說是半金屬，其能帶結(jié)構(gòu)中并沒有能隙，這給石墨烯在電子領(lǐng)域和光電領(lǐng)域的實際應(yīng)用帶來很大障礙。

過渡金屬硫族化合物是半導體屬性，具有較大的能隙，還兼具二維材料的優(yōu)越性能，它可以勝任電子和光電方面的用途。在某些應(yīng)用場景，需要過渡金屬硫族化合物的能隙寬窄可調(diào)，光伏器件的構(gòu)成材料為過渡金屬硫族化合物，其能隙的變化可以吸收光譜的范圍擴展至指定波段，提高光電轉(zhuǎn)換效率。

過渡金屬硫族化合物的電子結(jié)構(gòu)調(diào)諧主要有以下幾種方式：

1、外加電場擾動電子自旋、改變電子自由度；

2、減少樣品層數(shù)，使二維材料的量子效應(yīng)顯著，對電子結(jié)構(gòu)進行量子限域；

3、通過對材料的彎曲、拉伸、或引入襯底等方式對晶格施加應(yīng)力，以改變電子結(jié)構(gòu)。

利用這些手段調(diào)諧能隙時都需要電場、應(yīng)力等特殊條件，產(chǎn)生這些條件的裝置很苛刻，這會導致它們的使用方式很受限制，目前的技術(shù)手段很難達到單層原子的操縱，只有對單晶薄膜樣品的彎曲或拉伸才能產(chǎn)生應(yīng)力從而影響電子結(jié)構(gòu)，而很多應(yīng)用實例要求樣品形態(tài)為多晶粉末。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，根據(jù)過渡金屬硫族化合物受壓力后電阻率變化規(guī)律，高壓原位傳導激活能的檢測方法，創(chuàng)造性提出了一種過渡金屬硫族化合物能隙調(diào)整的方法，可以使過渡金屬硫族化合物能隙至閉合狀態(tài)都連續(xù)可調(diào)，適用于粉末多晶樣品。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種過渡金屬硫族化合物能隙調(diào)整的方法，其特征是，它包括以下步驟：

(1)啟動金剛石壓砧，在密封墊上產(chǎn)生壓痕，在壓痕中心設(shè)置通孔，將密封墊上的通孔作為壓腔；

(2)將金剛石對頂砧進行化學清洗，去除其表面的油脂和灰塵；

(3)在上金剛石對頂砧砧面上，利用射頻濺射的方式，沉積0.3微米的金屬鉬薄膜作為導電層；