CN104538288A

CN104538288A - 一种直接生长原子尺度二维半导体异质结的装置及方法

Info

Publication number: CN104538288A
Application number: CN201410752136.8A
Authority: CN
Inventors: 胡平安; 张甲; 陈晓爽; 郑威; 冯伟; 刘光波
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2014-12-09
Filing date: 2014-12-09
Publication date: 2015-04-22
Anticipated expiration: 2034-12-09
Also published as: CN104538288B

Abstract

本发明公开了一种直接生长原子尺度二维半导体异质结的装置及方法。所述装置包括气氛调节装置、快速切换装置、石英管、加热装置和真空调节装置，石英管的中段位于加热装置内部，石英管的左右两端设置有快速切换装置，所述快速切换装置包括切换杆、后端盖、前端盖、第一套筒、第二套筒、第一耐高温O型圈、第二耐高温O型圈和石英构件。该装置具有有效、快速、结构简单的优点，利用该反应装置可以直接在基底表面生长原子尺度的二维半导体异质结。这种装置不仅可以用来生长异质结，也可以在一次反应中生长两种或两种以上的单一物质，从而缩短了材料生长的时间、降低了生长成本、提高了生产效率。

Description

一种直接生长原子尺度二维半导体异质结的装置及方法

技术领域

本发明属于机械制造和材料科学工程技术领域，涉及一种直接生长原子尺度二维半导体异质结的装置及方法。

背景技术

二维材料是最近十年才发展起来一类重要的材料，其厚度通常从几分之一纳米到几十纳米，平面尺寸从几十纳米至几百米不等，跨越微观、介观和宏观三个尺度。二维材料由于在某一维度上具有纳米级的尺度，使其具有许多优异的物理和化学性质，如二维材料的量子尺寸效应，量子限域效应，载流子平面传输，材料表面无悬键，组成材料的原子集中在其表面，比表面积大等。

2004年由英国曼彻斯特大学A.K.Geim和K.S.Novoselov教授发现的石墨烯是二维材料的典型代表，单层厚度仅为0.335nm。石墨烯独特的二维结构赋予了其优异的电学、光学、力学和热学性能，如高速载流子迁移率(2×10⁵cm²/V.s)，约为商用硅半导体的电子迁移率的140倍，砷化镓的20倍；高透明性(550nm时单层的透光率达97.3％)；超高强度(杨氏模量达1100GPa，断裂强度达125GPa)；超高的比表面积(2630m²/g)；超高的热导率(5300W/m.K)。石墨烯这些优异的物理和化学性质使其在微纳电子器件、能源转化与存储、航空航天、复合材料等方面拥有广阔的应用前景。2011年，B.Radisavljevic等人剥离制备了类石墨烯的二维层状原子晶体二硫化钼(MoS₂)，单层厚度为0.63nm，禁带宽度1.8eV。带隙的出现使得MoS₂对光具有很好的响应，由其构筑的晶体管电流开关比高达10⁸，亚阀值斜率可达74mV/dev，光响应度可达2200A/W，接近硅材料的理论值。随着研究的深入，类似的二硫化钨(WS₂)、二硒化钼(MoSe₂)、二硒化钨(WSe₂)等二维层状半导体化合物逐渐被发现，而且表现出与二硫化钼类似的光电子学性质。

然而单一二维半导体在某些应用方面也存在着一定问题。例如石墨烯在室温条件下具有超快的光电响应，其响应速度可达1.5ps，且具有宽频响应特性，可实现在0.3～6μm波段范围工作的光电子器件。但石墨烯光电响应度仅为6.1mA/W，且通过引入电子陷阱和空洞之后，也只提高到8.61A/W；而且石墨烯为零带隙半金属性，没有电子学意义上的“开”和“关”，严重制约其在未来电子电路中的应用。因此，如何调控石墨烯的电子特性和禁带宽度，一直是石墨烯研究领域的关键性课题。虽然诸如MoS₂这类石墨烯二维材料具有一定的带隙，较高的开关比和较高的光响应度；但也存在着一些缺点，如其电子迁移率较低(0.1～10cm²/V.s)，响应速度慢，一般在毫秒量级。如何提高此类二维半导体原子晶体的载流子迁移率，也是目前急需解决的研究课题。

鉴于此，研究者们试图将两种二维材料组合形成平面或垂直的异质结结构，充分利用两种材料优势，来获得性能更好的器件。在这方面，Huang等人采用物理气相沉积法，在水平放置的石英管中，以二硒化钼和二硒化钨粉末为前驱物，在带有二氧化硅层表面650～750℃下生长出了平面二硒化钼/二硒化钨异质结。二硒化钼和二硒化钨界面平稳过渡并未产生缺陷和晶格失调等，同时该异质结材料表现出增强的光致发光性质。Gong等人采用化学气相沉积法，在水平放置的石英管中，以硫粉和三氧化钼为前驱物，在表面放置单质钨粉和碲粉的硅片上生长出垂直的二硫化钨/二硫化钼异质结，同时还有少量产物为二者的水平异质结。所形成的异质结为p-n结，在二极管、太阳能电池、逻辑器件等方面具有广泛的应用前景。上述这些方法可以制备出一定尺寸的异质结，但该方法随机性较大、多种反应物质在一起，调控难度大，生长出来的异直接纯度较低，一次反应获得的产品量较少。此外，一些研究者通过先生长出两种材料，再通过剥离转移等技术，将两种材料组合在一起形成异质结。采用这种方法，两种材料之间仅存在弱的范德华力，载流子在界面会发生严重的散射，影响材料器件性能。同时，转移的过程中不可避免的引入杂质和污染，转移过程繁琐，器件的一致性、重复性能都难以保证，制作成本高、周期长。

发明内容

鉴于目前在二维半导体异质结制作方面存在的不足，本发明为直接生长高质量二维半导体异质结材料提供了一种有效、快速、结构简单的装置，利用新型反应装置可以直接在基底表面生长原子尺度的二维半导体异质结。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

一种直接生长原子尺度二维半导体异质结的装置，包括气氛调节装置、快速切换装置、石英管、加热装置和真空调节装置，石英管的中段位于加热装置内部，石英管的左右两端设置有快速切换装置，所述快速切换装置包括切换杆、后端盖、前端盖、第一套筒、第二套筒、第一耐高温O型圈、第二耐高温O型圈和石英构件，其中：后端盖与前端盖相连，前端盖后端与后端盖前端之间设置有第二套筒和第二耐高温O型圈，第二套筒和第二耐高温O型圈套在石英管左右两端的外表面上；切换杆包括前驱物切换杆和基底切换杆，前驱物切换杆位于石英管左侧，其个数至少为两个，基底切换杆位于石英管右侧，其个数至少为一个，切换杆的一端经后端盖与位于石英管内部的石英构件相连，切换杆与后端盖之间设置有第一套筒和第一耐高温O型圈；位于石英管左端的后端盖上开有进气口，进气口与气氛调节装置相连，位于石英管右端的后端盖上开有出气口，出气口与真空调节装置相连。

一种利用上述装置直接生长原子尺度二维半导体异质结的方法，包括如下步骤：

一、根据需要制备的材料类型，确定前驱物切换杆和基底切换杆的个数，并将反应前驱物和反应基底分别放置在相应的石英构件上；

二、通过真空调节装置使石英管内空气尽量排除；

三、通过进气口通入一定流量的载气，利用气氛调节装置和真空调节装置保持石英管内压力在实验需要的值；

四、将与基底切换杆相连的石英构件位于反应基底加热温区，也可以等升温到设定的温度后再把上述石英构件推进至反应基底加热温区，前驱物切换杆外拉，使与前驱物切换杆相连的石英构件离开反应前驱物加热温区，打开加热装置，设定反应前驱物和反应基底所需要的温度和保持时间，进行升温；

五、升温至设定的温度，移动第一个前驱物切换杆使石英构件到达反应前驱物加热温区，蒸发第一种前驱物生长第一种物质，反应至设定时间后，移动该切换杆使石英构件离开反应前驱物加热温区，结束第一种物质蒸发；

六、待加热装置的温度至设定温度，移动第二个前驱物切换杆使石英构件到达反应前驱物加热温区位置，蒸发第二种前驱物生长第二种物质，反应至设定时间后，移动该切换杆使石英构件离开反应前驱物加热温区，结束第二种物质蒸发，从而在第一种反应物质边缘或者表面外延生产出第二中物质，从而形成两种物质的异质结；

七、根据前驱物切换杆的数量重复步骤六；

八、结束反应，按设定降温速率降温至室温。

与现有技术相比，本发明具有如下优势：

1、现有的二维半导体生长装置，一次只能生长出一种材料，且生长过程仍然包含升温、反应、降温这一必要的过程。而本发明在一个生长过程中可以生长一种或多种半导体材料，从而缩短了材料生长的时间、降低了生长成本、提高了生产效率。而且这种装置不仅可以用来生长异质结，也可以在一次反应中生长两种或两种以上的单一物质。

2、目前的反应装置无法在一次反应过程中制备出二维异质结材料，需要通过两次或多次生长才能制备出。这种方法不仅增加了材料生长的时间和成本，而且由于在生长完第一种材料后，需要停止设备，取出基底，更换反应前驱物等操作，使得已有的物质表面或者边缘发生钝化，在第二次反应中难以在其边缘或表面形成第二种物质，从而不能生长出异质结。此外，这一过程会增加材料的制备时间。本发明通过在反应腔室两端的端盖加装切换杆，实现多种前驱物和多种基底在一次生长过程中切换，保证了异质结的成功生长，也可以一次生长出多种半导体材料。

3、目前的装置，前驱物和基底必须首先置于加热区段中心，随着加热装置一起升温至设定温度，这一过程中前驱物在不断蒸发、挥发或升华，在基底上生长出一些副产品，甚至难以生长出高质量的材料。此外，对于基底是否需要跟随加热装置一起加热，由实验确定。而本发明放置在石英构件前端的前驱物以及置于类似装置中的基底可以在加热区段的温度上升至设定温度并稳定后，再将前驱物或者基底移动到加热区段中心，蒸发前驱物在基底上生长材料。

4、本发明通过套筒和耐高温O型圈的配合，既能保证切换杆能来回在反应腔室内移动，又能保证良好的密封效果，使实验可以在常压下进行，也可以在低压或高压条件下进行。

5、本发明通过两个切换杆的交替移动，可以生长出DEDE......DE型异质结。也可通过增加切换杆的数量，生长出三种物质或三种以上的异质结结构DEFED......DEF(其中D，E，F分别代表不同的物质)。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为切换装置图的结构示意图；

图3为异质结生长示意图；

图4为异质结光学显微镜图像及对应点(图a，d，g中红色和黑色圆圈)的拉曼光谱、PL光谱表征(以二硫化钼/二硒化钼异质结为例)；

图5为二硫化钼的原子力显微镜图像；

图6为二硫化钼原子力显微镜图像的剖面线，平均厚度约1.1nm。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

具体实施方式一：如图1所示，本实施方式提供了一种直接生长原子尺度二维半导体异质结的装置，主要包括气氛调节装置1、快速切换装置2、石英管3、加热装置4和真空调节装置5五部分，其中快速切换装置2是保证成功制备出原子尺度二维半导体异质结的关键部件。

如图2所示，快速切换装置2包括位于石英管左端的前驱物切换杆2—1、位于石英管右端的基底切换杆(结构与2—1完全相同)、密封螺钉2—2、后端盖2—3、螺钉2—6、前端盖2—7、第一套筒2_4、第二套筒2—8、第一耐高温O型圈2—5、第二耐高温O型圈2—9、石英构件2—10、连接套筒2—11和连接螺钉2—12，其中：

所述后端盖2—3与前端盖2—7通过均布在圆周上的螺钉2—6相连，拧紧螺钉2—6使前端盖2—7的后端与后端盖2—3前端距离减小，从而压紧第二套筒2—8和第二耐高温O型圈2—9，使第二耐高温O型圈2—9变形压紧在石英管3外表面上，形成后端盖2—3、前端盖2—7与石英管3的密封。石英管3的中段位于加热装置4的加热炉膛6内，两端采用相同的密封形式。

所述前驱物切换杆2—1连接着作为前驱物承载台的石英构件2—10可以在密封端盖上来回移动，保证了前驱物快速准确的到达或离开加热区段I(即：反应前驱物加热温区)，从而实现不同材料的生长，即形成异质结。前驱物切换杆2—1的个数至少为两个，前驱物切换杆2—1的一端经后端盖2—3与位于石英管3内部的石英构件相连。不锈钢材质的前驱物切换杆2—1承受温度相对较低，石英构件2—10可在高温条件下使用，保证反应前驱物使用广泛。前驱物切换杆2—1与后端盖2—3之间设置有第一套筒2_4和第一耐高温O型圈2—5，前驱物切换杆2—1与套筒2_4和耐高温O型圈2—5配合，在密封螺钉2—2的压力下形成密封，保证前驱物切换杆2—1来回移动时，石英管3室内的泄漏量小于100ppm。

所述基底切换杆连接着作为基底承载台的石英构件可以在密封端盖上来回移动，保证了基底快速准确的到达或离开加热区段II(即：反应基底加热温区)。基底切换杆的个数至少为一个，基底切换杆的一端经后端盖2—3与位于石英管3内部的石英构件相连。不锈钢质基底切换杆承受温度相对较低，石英构件2—10可在高温条件下使用，保证反应前驱物使用广泛。基底切换杆与后端盖2—3之间设置有第一套筒2_4和第一耐高温O型圈2—5，基底切换杆与套筒2_4和耐高温O型圈2—5配合，在密封螺钉2—2的压力下形成密封，保证基底切换杆来回移动时，石英管3室内的泄漏量小于100ppm。

所述位于石英管3左端的后端盖2—3上开有进气口，进气口与气氛调节装置1相连；位于石英管3右端的后端盖2—3上开有出气口，出气口与真空调节装置5相连。

一、通过真空调节装置使石英管内空气尽量排除。

二、通过进气口通入一定流量的载气，利用气氛调节装置和真空调节装置保持石英管内压力在实验需要的值。

三、将与基底切换杆相连的石英构件位于反应基底加热温区，也可以等升温到设定的温度后再把上述石英构件推进至反应基底加热温区，前驱物切换杆外拉，使与前驱物切换杆相连的石英构件离开反应前驱物加热温区，打开加热装置，设定反应前驱物和反应基底所需要的温度和保持时间，进行升温。

四、升温至设定的温度，移动第一个前驱物切换杆使石英构件到达反应前驱物加热温区，蒸发第一种前驱物生长第一种物质，反应至设定时间后，移动该切换杆使石英构件离开反应前驱物加热温区，结束第一种物质蒸发。

五、待加热装置的温度至设定温度，移动第二个前驱物切换杆使石英构件到达反应前驱物加热温区位置，蒸发第二种前驱物生长第二种物质，反应至设定时间后，移动该切换杆使石英构件离开反应前驱物加热温区，结束第二种物质蒸发，从而在第一种反应物质边缘或者表面外延生产出第二中物质，从而形成两种物质的异质结。

六、根据前驱物切换杆的数量重复步骤五。

七、结束反应，按设定降温速率降温至室温。

本实施方式中，所述切换杆通过连接套筒2—11和连接螺钉2—12与石英构件2—10相连接，石英构件2—10前端为一平面，可以放置反应前驱物、盛有前驱物的石英舟、反应基底。

本实施方式中，所述加热装置4可以有单段、双段、三段和多段加热温区，分别独立或联动控制加热温度，加热温度可以实现室温至1500℃范围内任意温度的精确控制，控温精度±0.1～0.5℃。升温速率和降温速率可分别独立设定为0.1～25℃/min，根据生长材料需要，前驱物反应时间可分别独立设定为0.5～600min。

本实施方式中，所述气氛调节装置1主要包括气源1—1、流量控制器1—2、混气罐1—3。气源1—1(即载气)可以是所需要的任何气体任何纯度，如甲烷、乙烯、乙炔、氩气、氮气、氦气、氢气、氨气等；载气可以是一种或几种气体的混合。在整个生长过程的各个阶段，载气流量和种类可以保持一定，也可以根据实验需要调整载气的种类和流量大小。反应腔室内压力根据实验需要可以控制在10^-1～1.13×10⁵Pa。流量控制器1—2根据进气种类数一一对应设置，可以是一个至任意个数，量程为0～5000sccm(标准立方厘米每分钟)，分辨力0.1～1sccm，控制精度±0.1％～1.5％(根据不同的量程而异)。混气罐1—3是将多种气体进行充分混合的部件。

本实施方式中，所述真空调节装置5主要包括真空泵、各种管路和接头。其中真空泵可选机械泵、油泵、分子泵等，极限真空度可达10^-4～1Pa，抽气速率1～50L/min，生长材料时压力靠气氛调节装置、气压调节阀和真空装置三者联合调控和保证。

本实施方式中，所述前后端盖圆周上的连接螺钉2—6根据需要可采用3～24个，螺钉可采用M2～M10。第二套筒2—8和第二O型圈2-9的尺寸根据石英管3的外径和前后端盖的内径确定，石英管3的外径可以是10～300mm。

本实施方式中，所述基底可以为硅片、石英片、云母片、六方氮化硼等一切实验所需要的基底，也可以在基底表面或者在其靠近进气口一侧一定距离上放置能与反应前驱物进行反应的必要物质，使这二者在气相中反应并随着载气的运输到达基底出，并在基底上形成二维半导体材料。

本实施方式中，所述前驱物可以包括：金属单质，如铟、镓、锡、锌等；非金属单质，如硫、硒、碲等；金属化合物，如三氧化钼、二硫化钼、二硒化钼、二硫化钨、二硒化钨、三硒化二铟、硫化锡、硫化亚锡、二硫化钒、硫化镓、硒化镓、碲化镓等；非金属化合物，有机物，如吡啶、噻吩、卟吩、卟啉、红茵烯等。同时在“基底表面或者在其靠近进气口一侧一定距离上放置能与反应前驱物进行反应的必要物质”也可以是上述的金属单质、非金属单质、金属化合物、非金属化合物、有机物等，根据实验要求，这些必要的物质可以和前驱物发生物理和化学反应。在一定的温度下，前驱物蒸发、挥发、升华到腔室内随着载气的运输至放置有基底的加热区段II处，在基底表面沉积形成所需要的二维半导体物质，或者与放置在基底之上的反应物质进行反应生长成所需要的二维半导体物质。当在加热区段I进行A和B反应前驱物的切换后，通过上述过程可在基底上生长出二维半导体异质结。

本实施方式中，所述前驱物反应的温度与各自物性有关，可以分别在加热装置(区段I)进行设定；与此相对应的基底的温度(二维半导体材料的形成温度)也可以通过加热装置(区段II)进行调节。

本实施方式中，在石英管右端可以设置一个或多个基底切换杆及石英构件盛放基底，可以在一次反应中在多片基底上生长出单一二维半导体、两种材质的异质结以及多种材质的异质结。在石英管左端也可以设置两个或多个前驱物切换杆，从而在一次反应中生长多种物质构成的异质结，如DEDE......DE，DEFED......DEF等等形式(其中D，E，F分别代表不同的物质)，既可以生长出平面异质结，也可以生长垂直的异质结。

本实施方式中，所述两种物质形成的异质结可以是平面结构，也可以是垂直结构的异质结。两种物质要形成异质结，需要它们之间晶格失配度较小，一般小于3％～15％；二者之间作用力较小，一般只存在弱的范德华力。如石墨烯和氮化硼形成的平面和垂直异质结，二硫化钼与二硒化钼形成的平面异质结等。

具体实施方式二：以两个前驱体切换杆A、B、一个基底切换杆为例说明两种材料异质结的生长过程。首先，在反应腔室内放置好反应前驱物和基底。通常情况下，将前驱物放置在与前驱体切换杆相连的石英构件上，基底放在与基底切换杆相连的石英构件上。有些情况下，生长一种物质所用的前驱物不止一种，就需要在石英管右端放置基底的石英构件旁边再放置一些物质，它与由载气带来的前驱物反应，在基底上形成所要的物质。例如使用硫粉和三氧化钼粉在硅基底上生长二硫化钼的反应，硫粉放置在左端的切换杆的石英构件上，三氧化钼粉和硅片都放置在右端切换杆的石英构件上进行反应。升温之前，利用真空调节装置使反应腔室(即石英管)内空气尽量排除，再通过进气口C通入一定流量的载气；利用气氛调节装置和真空调节装置保持反应腔室内压力在实验需要的值。前驱体切换杆A和B向外拉，使石英构件2—10移动至A2和B2的位置。设定反应前驱物需要加热到的温度(区段I)和基底所需加热到的温度(区段II)温度，升温时间，保持时间以及降温时间；设定完毕后，打开加热装置，在通入载气的情况下加热反应腔室。升温至设定的温度，移动前驱体切换杆A使石英构件到达A1位置，蒸发第一种前驱物生长第一种物质，反应至设定时间后，移动前驱体切换杆A使石英构件退回到A2位置，结束第一种物质蒸发。调整加热装置的温度至设定温度，移动前驱体切换杆B使石英构件到达B1位置，蒸发第二种前驱物生长第二种物质，反应至设定时间后，移动切换杆B使石英构件退回到B2位置，结束第二种物质蒸发，从而在第一种反应物质边缘或者表面外延生产出第二中物质，形成异质结。结束反应，按设定降温速率降温至室温。

本实施方式中，所述切换杆在石英管中来回移动的距离与切换杆自身长度、石英管的长度、前后端盖与加热装置之间的距离等设备尺寸参数有关；总体要求是前驱体切换杆A和B处于A1和B1位置时完全处于加热温区，处于A2和B2位置时，完全离开加热温区，该处的温度低于30～50℃。

本实施方式中，所述第一种前驱物反应完毕后，可以立刻推入切换杆B，使石英构件的前端到达B2位置进行进行反应，也可以有一定时间间隔，包括使加热装置(区段I)的温度达到第二种前驱物反应所需的时间以及基底温度改变时间，时间间隔可以在0～120min。

具体实施方式三：以生长二硫化钼/二硒化钼异质结为例，说明一种直接生长原子尺度二维半导体异质结的具体实施方法。

1、以三氧化钼为钼源，单质硫粉和单质硒粉为前驱物，在基底生长二硫化钼/二硒化钼异质结。

2、三氧化钼和单质硫粉及硒粉均为商业化产品，纯度为99.9～99.999％，使用前未进行纯化或其它处理。基底可以是带有二氧化硅层的硅片、石英片、云母片、六方氮化硼等，其中带有二氧化硅层的硅片其氧化层的厚度50～500nm均可。三氧化钼的纯度98～99.99％。

3、将三氧化钼为钼源放置在基底靠近进气口一端距离为1～10cm，用量为30～500mg；将单质硫粉和硒粉分别放置在A、B石英构件前端的平台上，质量分别为5～100mg。

4、将前驱物切换杆A、前驱物切换杆B及石英构件前端的平台退回至A2和B2的位置，当加热区段I升温至硒粉和硫粉的蒸发温度时，此处温度小于50～60℃，防止前驱物硒粉和硫粉在升温的过程中即有所蒸发。

5、硫粉的反应时的温度为50～100℃，硒粉反应时的温度为120～210℃，三氧化钼及基底所在的加热区段II加热温度600～900℃。该反应温度能充分保证在气相中有足够的钼源、硫源和硒源，促进二硫化钼和二硒化钼的连续生长。

6、生长二硫化钼/二硒化钼异质结的顺序为：当加热区段II温度达到600～900℃时，打开加热区段I，使温度上升至50～100℃；同时移动切换杆将三氧化钼和基底置于加热区段II中心，将切换杆A移动至A1位置进行生长二硫化钼的反应；反应3～30min后，移出切换杆A至A2位置，此时在基底表面生长出具有一定形状的二硫化钼，厚度仅为几个纳米。调节加热区段II的温度至700～900℃，再将切换杆B移动至B1位置进行生长二硒化钼的反应；反应3～30min后，移出切换杆B至B2位置，此时在基底表面已有二硫化钼的边缘生长出二硒化钼，厚度也为几个纳米。反应完毕后，自然降温至室温，自此生长出了二硫化钼/二硒化钼平面异质结材料。

7、在整个反应中，石英管右端的基底切换杆只需要一个，且在反应过程中保持不动。

8、生长出的二硫化钼/二硒化钼平面异质结的光学显微镜图像如图4a，d，g所示。从图像中可清楚看到二硫化钼和二硒化钼形状、界线、厚度的均一程度。图4b，c为对应图4a中红色圆圈处的拉曼光谱和PL光谱，证明所生长的为二硫化钼。在此基础上，再次生长完二硒化钼后，图4e，f对应图4g中红色圆圈处的拉曼光谱和PL光谱，该光谱证明第一步生长的二硫化钼在生长完二硒化钼后仍然保持不变，还是二硫化钼；而图4h，i为图4g中红黑圆圈处的拉曼光谱和PL光谱，该光谱证明在二硫化钼的边缘确实生长出了二硒化钼。

9、生长出的二硫化钼/二硒化钼平面异质结的原子力图像如图5所示。根据剖面线高度，可知所制备的二硫化钼和二硒化钼厚度均在几个纳米，层数约为1～2层，由此证明通过本发明确实生长出了原子级厚度的二维半导体材料。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是，在同一基底上生长三种物质组成的平面异质结时，要求在石英管左端设置三个前驱体切换杆，分别放置反应前驱物D，E，F，在石英管右端设置一个基底切换杆用于放置基底。生长异质结时，先同时将石英管左端放置前驱物D切换杆和石英管右端放置基底的切换杆推入各自的加热区段，反应一定时间后，基底切换杆保持不动，将放置前驱物D切换杆移除，完成D物质的生长。再依次推入和移除放置前驱物E和F的切换杆进行反应生长E和F，最终形成DEF平面异质结。在采用逆向次序推入和移除放置前驱物E和D的切换杆，形成DEFED形式的异质结。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是，在一次反应中生长两种或两种以上的单一物质时，在石英管左右两边都设置两个切换杆，生长一种物质时，左右两端同时推进一个切换杆，完毕后，同时拉出来。然后在将左右两边剩下的各一个切换杆推进，生长另一种物质。

Claims

1.一种直接生长原子尺度二维半导体异质结的装置，包括气氛调节装置、石英管、加热装置和真空调节装置，其特征在于所述装置还包括快速切换装置，石英管的中段位于加热装置内部，石英管的左右两端设置有快速切换装置，所述快速切换装置包括切换杆、后端盖、前端盖、第一套筒、第二套筒、第一耐高温O型圈、第二耐高温O型圈和石英构件，其中：后端盖与前端盖相连，前端盖后端与后端盖前端之间设置有第二套筒和第二耐高温O型圈，第二套筒和第二耐高温O型圈套在石英管左右两端的外表面上；切换杆包括前驱物切换杆和基底切换杆，前驱物切换杆位于石英管左侧，其个数至少为两个，基底切换杆位于石英管右侧，其个数至少为一个，切换杆的一端经后端盖与位于石英管内部的石英构件相连，切换杆与后端盖之间设置有第一套筒和第一耐高温O型圈；位于石英管左端的后端盖上开有进气口，进气口与气氛调节装置相连，位于石英管右端的后端盖上开有出气口，出气口与真空调节装置相连。

2.根据权利要求1所述的直接生长原子尺度二维半导体异质结的装置，其特征在于所述后端盖与前端盖通过均布在圆周上的螺钉相连。

3.根据权利要求1所述的直接生长原子尺度二维半导体异质结的装置，其特征在于所述切换杆通过连接套筒和连接螺钉与石英构件相连接。

4.根据权利要求1所述的直接生长原子尺度二维半导体异质结的装置，其特征在于所述加热装置可以实现室温至1500℃范围内任意温度的精确控制，控温精度±0.1～0.5℃。

5.根据权利要求1所述的直接生长原子尺度二维半导体异质结的装置，其特征在于所述加热装置的升温速率和降温速率可分别独立设定为0.1～25℃/min。

6.根据权利要求1所述的直接生长原子尺度二维半导体异质结的装置，其特征在于所述气氛调节装置由气源、流量控制器和混气罐构成。

7.根据权利要求6所述的直接生长原子尺度二维半导体异质结的装置，其特征在于所述气源为甲烷、乙烯、乙炔、氩气、氮气、氦气、氢气、氨气中的一种或几种；流量控制器的量程为0～5000sccm，分辨力0.1～1sccm，控制精度±0.1～1.5％。

8.根据权利要求1所述的直接生长原子尺度二维半导体异质结的装置，其特征在于所述真空调节装置能达到的极限真空度为10^-4～1Pa，抽气速率1～50L/min。

9.根据权利要求1所述的直接生长原子尺度二维半导体异质结的装置，其特征在于所述石英管的外径为10～300mm。

10.一种利用权利要求1-9任一权利要求所述装置直接生长原子尺度二维半导体异质结的方法，其特征在于所述方法步骤如下：

二、通过真空调节装置使石英管内空气尽量排除；

四、将与基底切换杆相连的石英构件位于反应基底加热温区，前驱物切换杆外拉，使与前驱物切换杆相连的石英构件离开反应前驱物加热温区，打开加热装置，设定反应前驱物和反应基底所需要的温度和保持时间，进行升温；

七、根据前驱物切换杆的数量重复步骤六；

八、结束反应，按设定降温速率降温至室温。