[發明專利]一種異位成核的雙層MoS2

在審

• 申請號: 202210992813.8
• 申請日: 2022-08-18
• 公開（公告）號: CN115156524A
• 公開（公告）日: 2022-10-11
• 發明（設計）人: 周喻;李成;范秀蓮;鄒路瑋
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: B22F1/054
• 分類號: B22F1/054;C23C16/30;C23C16/44;C23C16/455
• 代理公司: 蘇州科洲知識產權代理事務所(普通合伙) 32435
• 代理人: 周亮

本發明屬于納米材料領域，公開了一種異位成核的雙層二硫化鉬納米片及其制備方法。其采用三氧化鉬、硫粉為前驅體，氯化鈉為助熔劑，使用惰性氣體氬氣作為載氣，在一定溫度下反應。本發明通過簡單方法引入對生長條件的擾動，即利用襯底硅片的特定傾角調控襯底表面氣流方向以及局域反應劑濃度的變化，在加熱和保溫過程中，頂層二硫化鉬的成核位點偏離底層二硫化鉬的成核位點，形成了偏離底層中心成核點的雙層堆疊方式。在未引入擾動的生長條件下，雙層二硫化鉬納米片為同位成核生長。本發明可制備異位成核生長的雙層二硫化鉬納米片，有效地減少熱力學穩定的雙層堆垛方式，實現對雙層納米片成核位置的調控，制備方法簡單可行。

技術領域

本發明屬于無機納米材料領域，尤其涉及一種異位成核的雙層MoS₂納米片及其制備方法。

背景技術

隨著現代電子和光電子器件不斷向高集成化和小型化方向發展，迫切需要開發新的功能材料、發展能與傳統的硅工藝平面器件結構兼容的材料與器件技術，如過渡金屬硫化物二維材料。而作為過渡金屬硫化物家族的一員，二硫化鉬具有可調的1.2-1.9eV的帶隙，在邏輯器件、集成電路、光電子等方面有著廣泛的應用前景。二硫化鉬是一種層狀材料，每層二硫化鉬均由上下兩層硫原子層內嵌一層鉬原子層以共價鍵的形式結合。相比起由三層原子層構成的單層二硫化鉬材料，雙層二硫化鉬材料擁有更豐富的物理性質，如更高遷移率、摩爾平帶等。同時，二硫化鉬層狀材料的光致發光、光吸收和光電流等特性對層數和堆疊順序顯示出強烈的依賴關系。因此，具有特定結構的二硫化鉬層狀材料在下一代電子和光電器件方面具有巨大潛力。

二硫化鉬目前研究的熱點為單層或少層，對于雙層二硫化鉬研究較少，即便出現少量制備雙層或多層二硫化鉬的方案，基本也都是得到的同位成核二硫化鉬材料，并未出現異位成核制備二硫化鉬材料的方案。二硫化鉬薄層的制備方法包括機械剝離法、液相剝離法和氣相生長法等。機械剝離法比較耗時，不能用于大規模的材料制備，并且無法控制所制備材料的層數、尺寸、取向、相結構。液相剝離法制備的二硫化鉬薄層質量較差、尺寸較小。氣相生長法是制備高質量二維材料的有力手段，其中，化學氣相沉積法是目前為止最廣泛用于制備層狀二硫化鉬的方法，能確保在低成本、大規模、可控的前提下制備得到高質量、大面積的單層二硫化鉬。然而，目前化學氣相沉積生長的層狀二硫化鉬單晶仍然存在著尺寸小、厚度不容易控制、質量較差等問題。CN113045213B公開了一種二硫化鉬平面同質結的制備方法，將預處理后的鈉鈣玻璃基片置于鉬箔甲表面并在鈉鈣玻璃基片表面覆蓋經過預氧化處理的鉬箔乙，通入惰性氣體并保持反應腔體為常壓，加熱鉬箔甲/鈉鈣玻璃基片/鉬箔乙至鈉鈣玻璃基片熔融溫度；在惰性氣體上游放置盛有硫粉的石英舟，加熱石英舟使硫粉蒸發；生長時間結束后，在鈉鈣玻璃基片靠近鉬箔乙的表面得到單晶結構的單層/雙層相間的二硫化鉬平面同質結薄膜。該方法雖然可制備大面積、高質量和高電子遷移率的二硫化鉬平面同質結薄膜，但操作復雜，對參數要求苛刻，且僅能獲得同位成核的二硫化鉬薄膜。CN114411148A通過熱蒸發鍍膜方法在硅片上制備金屬薄膜或者金屬氧化物薄膜作為前驅體薄膜，將鍍有前驅體薄膜的硅片與襯底面對面放置于蒸發舟中，利用化學氣相沉積方法硫化前驅體薄膜，在襯底上生長二維過渡金屬硫族化物。通過化學氣相沉積的面對面生長方法，可以控制前驅體薄膜與襯底之間的間距，能夠改變二維材料形核位點間距和三角形尺寸，實現了二維材料層數的可控性，可以進一步用于大面積或大尺寸二維材料的制備。該方法需要先在襯底上沉積前驅體層，工藝復雜且也僅能獲得同位成核的二硫化鉬薄膜。CN113957538A提供一種不同覆蓋率的雙層硫化鉬晶體材料的制備方法，通過一步化學氣相沉積法實現不同覆蓋率的雙層硫化鉬二維結構的制備，具體設置為鉬箔展開置于石英舟內，襯底傾斜倒扣在鉬箔正上方，襯底一端與鉬箔接觸。但該方法僅獲得了同位成核的二硫化鉬薄膜，并未記載任何異位成核制備二硫化鉬的內容。CN104058458B同樣采用化學氣相沉積以單質的鉬金屬和硫粉做為源，在基底表面沉積二維二硫化鉬，其中通過對沉積溫度、生長時間等制備參數的優化，實現對高質量二硫化鉬單層或雙層結構的控制生長，具體將硫源和鉬源以及所述基底放置在支撐平面上，且基底與所述支撐平面成0至60度的傾角，優選0至45度，最優選30度，但同樣該方法僅獲得了同位成核的二硫化鉬薄膜，并未記載任何異位成核制備二硫化鉬的內容。