CN110257800B - 一种过渡金属硫族化合物薄层材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种过渡金属硫族化合物薄层材料及其制备方法和应用，该制备方法包括：将过渡金属源均匀铺设于两块衬底之间，制备成夹层结构；将夹层结构进行热处理，使两块衬底熔融粘合在一起，再将硫族元素源与熔融粘合后的夹层结构在保护气体的保护下进行化学气相沉积反应，其中过渡金属源在反应温度下受热溶解、扩散，并在衬底的表面析出，与硫族元素源反应；其中，硫族元素源包括硫源、硒源、碲源中的一种或多种。通过以上方式，本发明通过采用“溶解‑析出”原理与化学气相沉积反应相结合以制备过渡金属硫族化合物薄层材料，其制作工艺简单易行，过程可控，所制得的过渡金属硫族化合物薄层材料在厘米级范围内均匀分布，形貌良好，光学、电学等性能优异，具有广阔的应用前景。

Description

一种过渡金属硫族化合物薄层材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及二维半导体材料制备技术领域，具体涉及一种过渡金属硫族化合物薄层材料及其制备方法和应用。
背景技术
现代信息技术的进步在很大程度上依赖于以半导体硅为基础材料的集成电路的发展，目前，由于受到来自短沟道效应等物理规律和制造成本的限制，主流互补型金属氧化物半导体(CMOS)技术即将达到10nm的技术节点，很难继续提升，这也预示着“摩尔定律”可能面临终结或延缓。因此，探索新型半导体材料和发展以新原理为基础的晶体管技术，以替代硅基CMOS技术，是科学界和产业界近年来的主流研发方向之一。
随着二维层状材料研究热潮的兴起，过渡金属硫族化合物作为一类新型的二维层状化合物，具有独特的晶体结构和能带结构，引起了物理、化学、材料、传感、电子与光电等众多领域研究人员的广泛关注。该类材料具有以下优势：1)材料表面没有悬键，即使在很薄的厚度下(<1nm)，也不会对场效应晶体管(FET)中载流子的迁移造成大的散射，进而大大减弱了材料表面态对器件性能的不利影响；2)具有超薄厚度，静电调控能力强，能够有效切换FET的“ON”和“OFF”状态，减少短沟道效应带来的负面影响；3)具有平面结构，与当前硅基半导体工艺的器件制作流程兼容性好；4)具有良好的机械性能，有望满足未来柔性、可穿戴器件等需求；5)具有丰富的材料种类、可调的带隙(介于0.9～2eV)，使得所制备的FET具有较大的开关比(>104～108)。因此，基于二维过渡金属硫族化合物的FET近年来引起学者和产业界的广泛重视。
典型的过渡金属硫族化合物包括半导体(如二硫化钼、二硒化钼、二硫化钨和二硒化钨等)和金属(如二硫化钒、二硒化钒等)。在此基础上，掺杂型过渡金属硫族化合物(如钨掺杂二硫化钼、钒掺杂二硫化钼)，这些材料由于其特殊的光学、电学、磁学等性质，有望广泛应用于微纳电子器件、光学器件、自旋器件、化学生物传感器、电化学催化等领域。目前，过渡金属硫族化合物(如二硫化钼)的生长通常以三氧化钼和硫粉作为反应源，采用“衬底朝下”或“衬底朝上”的方法生长，但是该类方法所得到的样品往往均匀性不好，在衬底的中间区域是很厚的样品，在边缘处形成离散的三角形薄层样品；这样不均匀的分布会严重影响过渡金属硫族化合物在电子工业中的应用。
现有专利申请CN108286042A公开了一种层数均匀二硫化钼薄膜的制备方法，即使用氯化钾辅助化学气相沉积法在硅衬底上制备出大面积单层二硫化钼薄膜，通过控制氯化钾的量获得不同尺寸的单层二硫化钼薄膜；该方法所生长的二硫化钼层数均一，但是在整个硅衬底上的分布却难以实现完全均匀。现有专利CN204779804U公开了一种提高二硫化钼生长均匀性的单独硫源温控系统，该系统使用的原料瓶中装有硫粉，在料瓶的外围缠绕伴热带，料瓶内设有氩气输入管和氩气输出管，并将氩气输入管和氩气输出管与管式炉的氩气输入管连通，通过采用硫源单独温控技术实现对二硫化钼薄膜生长过程中硫源温度、蒸气压的精确控制，避免传统化学气相沉积过程中硫的提前蒸发导致的三氧化钼的提前硫化，提高了二硫化钼薄膜的均匀性；但是该方法未能对衬底进行改进，只能在小面积范围内实现均匀样品的制备。
综上，制备大面积均匀过渡金属硫族化合物材料仍需探索新的方法，进而使得制备过程简单可控、提高样品的均匀性、方法的可重复性和器件性能的可靠性。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种过渡金属硫族化合物薄层材料及其制备方法和应用。
本发明所采用的技术方案是：一种过渡金属硫族化合物薄层材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、将过渡金属源均匀铺设于两块衬底之间，制备成夹层结构；
S2、将所述夹层结构进行热处理，使两块衬底熔融粘合在一起；
S3、将硫族元素源和步骤S2处理后的夹层结构在保护气体的保护下进行化学气相沉积反应；所述过渡金属源在反应温度下受热溶解、扩散，并在所述衬底的表面析出，与所述硫族元素源反应；所述硫族元素源包括硫源、硒源、碲源中的一种或多种。
优选地，所述硫源选自固相硫源、液相硫源、气相硫源中的至少一种。进一步优选采用固相硫源和液相硫源的组合、固相硫源和气相硫源的组合，或者固相硫源、液相硫源和气相硫源的组合。固相硫源具体可包括硫粉和/或硫化铵；液相硫源包括乙二醇硫醚或各种硫醇等；气相硫源可包括硫化氢。
所述过渡金属源可为有机或无机过渡金属盐；优选地，所述过渡金属源选自钼源、钨源、钒源、铼源、钽源、铌源、钛源、铂源、钯源中一种或多种；以钼源为例，具体可选用三氧化钼、钼酸铵、钼酸钠、钼酸钾、五氯化钼、钼粉、二氯二氧化钼中的一种或多种；优选采用钼酸钠。
优选地，所述过渡金属源与所述硫族元素源的质量比为1：(10～300)；例如，可为1:10、1:30、1:50、1:100、1:120、1:150、1:200、1:210、1:250或1:300等。
以上制作过程中，主要通过将过渡金属源和衬底通过热处理高温熔融粘合在一起；熔融衬底再与硫族元素源在保护气体的保护下进行化学气相沉积反应，该过程中过渡金属源在反应温度下受热溶解、扩散，进而在衬底表面析出，进而与硫族元素反应，因此，以上熔融衬底可同时作为反应源和生长衬底。其中，所述衬底优选采用玻璃衬底。采用玻璃衬底的优势在于，生长过程中，玻璃衬底熔融表面有利于过渡金属源的扩散，减少成核位点，生长得到较大的过渡金属硫族化合物薄层材料，即可制备大面积均匀分布的过渡金属硫族化合物薄层材料。
玻璃衬底的熔点决定熔融体的粘度，进而影响过渡金属源在其中的扩散速率，影响反应的动力学过程，因此，玻璃衬底的材质优选钠钙玻璃、钾玻璃、铝镁玻璃、铅钾玻璃、硼硅玻璃、石英玻璃中的至少一种；例如可采用钠钙玻璃和钾玻璃的组合，钠钙玻璃和石英玻璃的组合，钠钙玻璃、钾玻璃和铝镁玻璃的组合，铅钾玻璃、硼硅玻璃和石英玻璃的组合。
通常选用同等大小、面积相等的两衬底。为了便于以上过渡金属源从衬底表面的析出，一般上层衬底的厚度小于底层衬底的厚度，以利于过渡金属源从上层衬底表面扩散析出。另外，衬底之间的熔融粘合是决定“溶解-析出”生长过程至关重要的一环，熔融粘合的条件决定了过渡金属源的分布、扩散方式、内部源浓度、表面平整度等性质。如果上层衬底厚度过薄，过渡金属源扩散距离短且块，表面会得到较厚的过渡金属源析出层；若上层衬底的厚度过厚，过渡金属源会难以扩散出来，表面会得到较薄的过渡金属源析出层。优选地，两块衬底包括底层衬底和上层衬底，其中所述底层衬底的厚度范围为0.01.～50.00mm，所述上层衬底的厚度范围为0.01～0.50mm。
另外，若过渡金属源与衬底表面积相对比过低，会造成生长的薄层材料只能分布在特定的区域，而非在全部衬底上均匀分布；若过渡金属源与衬底表面积相对比过高，则过渡金属源会从衬底边缘溢出，使得生长的材料在边缘区域的密度比中间区域大，因此，所述过渡金属源在所述衬底上的担载量优选为(0.2～10)mg/cm2，例如，0.2mg/cm2、0.5mg/cm2、1mg/cm2、2mg/cm2、5mg/cm2或10mg/cm2等；进一步优选地，两块衬底的面积均为(1～100)cm2。
优选地，步骤S2中，所述热处理的温度为100～720℃；热处理时间可为1～300min，具体可根据所需薄层材料的厚度控制热处理时间。
优选地，步骤S3中，所述化学气相沉积反应在0.05～1000Torr、200～780℃以及保护气体的保护下进行。
保护气体可为二氧化碳、氮气、氢气、惰性气体中的一种或多种，惰性气体包括氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氡气；其中优选采用氦气和/或氩气。
硫族元素源具体可为固相硫族元素源、液相硫族元素源、气相硫族元素源中的至少一种。
若硫族元素源为气相硫族元素源，以上步骤S3可在管式炉或箱式炉中进行，气相硫族元素源可与保护气体共同通入管式炉中。
若硫族元素源为固相硫族元素源和/或液相硫族元素源，以上步骤S3可在双温区管式炉中进行，该双温区管式炉具体包括第一加热区和第二加热区，两段区域可通过控制不同加热温度，以满足反应的需求。第一加热区主要用于加热固相硫族元素源和/或液相硫族元素源使其挥发扩散；第二加热区为主反应区，主要用于实现化学气相沉积反应，具体可将含有过渡金属源析出层的熔融衬底置于第二加热区，第一加热区挥发的硫族元素源进入第二加热区，在保护气体的保护下，与衬底表面的过渡金属源反应生成过渡金属硫族化合物，由于过渡金属源是从熔融衬底中均匀扩散析出，故生长所得的过渡金属硫族化合物具有均匀分布于衬底上的特性。其中，若硫族元素源为固态硫族元素源，第一加热区的加热温度一般为120～250℃；若硫族元素源为液态硫族元素源，第一加热区的加热温度一般为40～100℃；第一加热区的加热时间一般为1～300min。第二加热区的反应温度一般为600～780℃，反应时间为10～60min，升温速度为20～50℃/min。
例如，可采用如下方法制备过渡金属硫族化合物薄层材料，具体包括以下步骤：
(1)将过渡金属源均匀地铺设于厚度为1.0～50.0mm的底部玻璃衬底表面，过渡金属源的担载量为(0.2～10)mg/cm2，在鼓风干燥箱中完全干燥后，盖上同等大小、厚度为0.1～0.5mm的上层玻璃衬底；在100～720℃马弗炉中热处理1～300min，升温速率为20～50℃/min，热处理后两玻璃衬底熔融粘合在一起；
(2)将步骤(1)中粘合的玻璃衬底同时作为衬底和过渡金属源，置于管式炉的第二加热区，固态硫族元素源和/或液态硫族元素源置于管式炉上游的第一加热区，所用硫族元素源与过渡金属源的质量比为(10～300)：1；
(3)向步骤(2)的管式炉中以5～200mL的速率通入保护气体，通过机械泵使得管式炉中压力为0.05～1000Torr；第一加热区保持加热温度为120～250℃；第二加热区以20～50℃/min的升温速率升温至200～780℃，粘合玻璃衬底中的过渡金属源在该反应温度下受热溶解、扩散，并在玻璃衬底的表面析出，与第一加热区挥发进入第二加热区的硫族元素源反应，保温反应10～60min，反应结束后自然冷却，在衬底表面得到均匀分布的过渡金属硫族化合物薄层材料。
本发明还提供了一种过渡金属硫族化合物薄层材料，由以上任一种过渡金属硫族化合物薄层材料的制备方法制得。该过渡金属硫族化合物薄层材料的化学成分通式为MaXb，其中a为1、2或3，b为1、2、3或5；M代表过渡金属元素，如钼、钨、铌、钽、钒、铼、铂、钯、钛等；X代表硫族元素，如硫，硒，碲等。具体根据选用的过渡金属源和硫族元素源，制备对应的过渡金属硫族化合物薄层材料，如二硫化钼、二硫化钨、二硫化钒、二硫化铼、二硒化钼、二硒化钨、二硒化钒、二硒化铼，以及这些材料所形成的合金等。通过以上制备方法，可制得大面级、高度均匀的过渡金属硫族化合物薄层材料，该薄层材料的晶畴尺寸为20～200μm，厚度为0.7～20nm。以上过渡金属硫族化合物薄层材料可应用于电子器件、光学器件、光电器件、化学生物传感器或电化学催化器件等。
本发明的有益技术效果是：本发明提供一种过渡金属硫族化合物薄层材料及其制备方法和应用，该过渡金属硫族化合物薄层材料的制备方法通过将过渡金属源均匀铺设于两块衬底中间，配制成夹层结构，在高温热处理条件下让夹层结构熔融粘合在一起，再将硫族元素源与熔融粘合后的夹层结构在保护气体的保护下进行化学气相沉积反应，其中过渡金属源在反应温度下受热溶解，在热场驱动下向周边及衬底表层扩散，进而在衬底的表面析出，与硫族元素源反应，从而可得到均匀分布的过渡金属硫族化合物薄层材料。由上可知，本发明通过采用“溶解-析出”原理与化学气相沉积反应相结合以制备过渡金属硫族化合物薄层材料，其制备工艺简单易行，过程可控，所制得的过渡金属硫族化合物薄层材料在厘米级范围内均匀分布，形貌良好，光学、电学等性能优异，具有广阔的应用前景。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图做简单说明。
图1是本发明实施例1中大面积均匀二硫化钼薄层材料的制备方法示意图；
图2是本发明实施例1中大面积均匀二硫化钼薄层材料的制备方法原理示意图；
图3是本发明实施例1所制得大面积均匀二硫化钼薄层材料的光学显微镜图；
图4是本发明实施例1所制得大面积均匀二硫化钼薄层材料的扫描电子显微镜图；
图5是本发明实施例1所制得大面积均匀二硫化钼薄层材料的激光拉曼谱图；
图6是本发明实施例1所制得大面积均匀二硫化钼薄层材料的X射线光电子能谱图；
图7是本发明实施例1所制得大面积均匀二硫化钼薄层材料在10mm×10mm玻璃衬底上均匀分布图；
图8是本发明实施例1所制得大面积均匀二硫化钼薄层材料的光致发光图；
图9是实施例3所制得二硫化钨薄层材料的光学显微镜图和激光拉曼谱图；
图10是实施例4所制得二硒化钼薄层材料的光学显微镜图和激光拉曼谱图；
图11是实施例6所制得二硫化钼钨(MoxW1-xS2)合金的光学显微镜图和激光拉曼谱图。
图12是对比例1所制得二硫化钼薄层材料的光致发光图；
图13是对比例1所制得二硫化钼薄层材料上不同位置P1-P4的光学显微镜图；
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
本实施例提供一种大面积、高度均匀二硫化钼薄层材料及其制备方法，该制备方法的示意图如图1所示，具体包括以下步骤：
(1)将0.94mg钼酸钠(钼源)均匀地铺设在长度、宽度、厚度为25mm×10mm×2mm钠钙玻璃衬底的表面，在鼓风干燥箱中完全干燥后，盖上同等大小、厚度为0.15mm的钠钙玻璃衬底；在700℃马弗炉中进行热处理30min，升温速率为20℃/min；热处理后，两玻璃衬底熔融粘合在一起；
(2)将步骤(1)中粘合的玻璃衬底同时作为衬底和钼源置于管式炉的第二加热区，硫粉(硫源)置于管式炉中第二加热区上游的第一加热区，所用硫粉质量为200mg；
(3)向步骤(2)所述管式炉中以50mL/min的速率通入氩气，通过机械泵使得管式炉中压力为1.2Torr；第一加热区保持加热温度为220℃，第二加热区以50℃/min的升温速率升温至750℃，粘合玻璃衬底中的钼酸钠在该反应温度下受热溶解、扩散，并在玻璃衬底的表面析出，与第一加热区挥发进入第二加热区的硫源反应，保温反应10min，反应结束后在50mL/min氩气保护下自然冷却，在衬底表面得到大面积、高度均匀的二硫化钼薄层材料。
以上制备方法的原理示意图如图2所示。首先，如图2中(a)所示，两玻璃衬底经热处理熔融粘合在一起；如图2中(b)所示，钼源受热溶解，并在热场驱动下向周边及衬底表面扩散，进而在衬底表面析出；如图2中(c)所示，硫源与衬底表面析出的钼源在保护气体的保护下进行化学气相沉积反应成核；如图2中(d)所示，成核后进一步生长，得到大面积均匀分布的二硫化钼薄层材料。
将以上制得的大面积均匀的二硫化钼薄层材料分别进行光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、拉曼光谱仪(Raman)和X射线光电子能谱(XPS)测试，所得结果分别如图3、图4、图5和图6所示，并测得以上大面积均匀的二硫化钼薄层材料在10mm×10mm玻璃衬底上均匀分布图和光致发光图分别如图7和图8所示。由图3-8所示结果可知，本实施例通过采用“溶解-析出”化学气相沉积方法，可制备大面积均匀分布的过渡金属硫族化合物薄层材料，所得材料的分布尺寸可达到20～200μm，厚度仅为0.7～20nm。
实施例2
本实施例提供了一种大面积、高度均匀二硫化钼薄层材料及其制备方法，该制备方法包括以下步骤：
(1)将1.88mg钼酸钠均匀地铺设在长度、宽度、厚度为5mm×10mm×3mm的钾玻璃衬底表面，在鼓风干燥箱中完全干燥后，盖上同等大小、厚度为0.15mm的钠钙玻璃衬底；在720℃马弗炉中进行热处理30min，升温速率为30℃/min；热处理后，两玻璃衬底熔融粘合在一起；
(2)将步骤(1)中粘合的玻璃衬底同时作为衬底和钼源置于管式炉的第二加热区，硫粉(硫源)置于管式炉中第二加热区上游的第一加热区，所用硫粉质量为300mg；
(3)向步骤(2)所述管式炉中以80mL/min的速率通入氩气，通过机械泵使得管式炉中压力为1.7Torr；第一加热区保持加热温度为180℃，第二加热区以50℃/min的升温速率升温至730℃，粘合玻璃衬底中的钼酸钠在该反应温度下受热溶解、扩散，并在玻璃衬底的表面析出，与第一加热区挥发进入第二加热区的硫源反应，保温反应30min，反应结束后自然冷却，在衬底表面得到大面积均匀分布的二硫化钼薄层材料。
采用与实施例1相同的方法测得，本实施例所制得二硫化钼薄层材料的分布尺寸达到20～200μm；厚度为1.4～2.8nm，且在5mm×10mm大面积玻璃衬底表面均匀分布。
实施例3
本实施例提供了一种大面积、高度均匀二硫化钨薄层材料及其制备方法，该制备方法包括以下步骤：
(1)将0.94mg钨酸钠(钨源)均匀地铺设在长度、宽度、厚度为25mm×10mm×2mm的钠钙玻璃衬底表面，在鼓风干燥箱中完全干燥后，盖上同等大小、厚度为0.15mm的钠钙玻璃衬底；在680℃马弗炉中热处理30min，升温速率为25℃/min；热处理后，两玻璃衬底熔融粘合在一起；
(2)将步骤(1)中粘合的玻璃同时作为衬底和钨源置于管式炉的第二加热区，硫粉(硫源)置于管式炉中第二加热区上游的第一加热区，所用硫粉的质量为150mg；
(3)向步骤(2)所述管式炉中以80mL/min的速率通入氩气，以4mL/min的速率通入氢气，通过机械泵使得管式炉中压力为5Torr；第一加热区保持加热温度为190℃，第二加热区以50℃/min的升温速率升温至750℃，粘合玻璃衬底中的钨酸钠在该反应温度下受热溶解、扩散，并在玻璃衬底的表面析出，与第一加热区挥发进入第二加热区的硫源反应，保温反应15min，反应结束后自然冷却，在衬底表面得到大面积均匀分布的二硫化钨薄层材料。
采用与实施例1相同的方法，测得本实施例所制得二硫化钨薄层材料的光学显微镜图和激光拉曼谱图如图9所示，其中，(a)为光学显微镜图，(b)为激光拉曼谱图；该二硫化钨薄层材料的分布尺寸达到20～200μm；厚度为0.8nm；且在25mm×10mm的大面积玻璃衬底表面均匀分布。
实施例4
本实施例提供了一种大面积、高度均匀二硒化钼薄层材料及其制备方法，该制备方法包括以下步骤：
(1)将2.82mg钼酸钠均匀地铺设在长度、宽度、厚度为15mm×15mm×2mm的钠钙玻璃衬底表面，在鼓风干燥箱中完全干燥后，盖上同等大小、厚度为0.15mm的钠钙玻璃衬底；在650℃马弗炉中热处理60min，升温速率为30℃/min；热处理后，两玻璃衬底熔融粘合在一起；
(2)将步骤(1)中粘合的玻璃同时作为衬底和钼源置于管式炉的第二加热区，硒粉(硒源)置于管式炉中第二加热区上游的第一加热区，所用硫粉质量为200mg；
(3)向步骤(2)所述管式炉中以80mL/min的速率通入氩气，以8mL/min的速率通入氢气，通过机械泵使得管式炉中压力为2Torr；第一加热区保持加热温度为280℃，第二加热区以50℃/min的升温速率升温至750℃，粘合玻璃衬底中的钼酸钠在该反应温度下受热溶解、扩散，并在玻璃衬底的表面析出，与第一加热区挥发进入第二加热区的硒源反应，保温反应20min，反应结束后自然冷却，在衬底表面得到大面积均匀分布的二硒化钼薄层材料。
采用与实施例1相同的方法，测得本实施例所制得二硒化钼薄层材料的光学显微镜图和激光拉曼谱图如图10所示，其中，(a)为光学显微镜图，(b)为激光拉曼谱图；该二硒化钼薄层材料的分布尺寸达到20～200μm；厚度为1.4～3.0nm；且在15mm×15mm的大面积玻璃衬底表面均匀分布。
实施例5：
本实施例提供了一种大面积、高度均匀铼掺杂二硫化钼薄层材料及其制备方法，该制备方法包括以下步骤：
(1)将0.94mg钼酸钠和0.10mg铼酸钠均匀地铺设在长度、宽度、厚度为25mm×15mm×3mm的钠钙玻璃衬底表面，在鼓风干燥箱中完全干燥后，盖上同等大小、厚度为0.15mm的钠钙玻璃衬底；在700℃马弗炉中进行热处理30min，升温速率为20℃/min；热处理后，两玻璃衬底熔融粘合在一起；
(2)将步骤(1)中粘合的玻璃同时作为衬底和过渡金属源置于管式炉的第二加热区，硫粉(硫源)置于管式炉中第二加热区上游的第一加热区，所用硫粉质量为200mg；
(3)向步骤(2)所述管式炉中以50mL/min的速率通入氩气，通过机械泵使得管式炉中压力为1.2Torr；第一加热区保持加热温度为220℃，第二加热区以50℃/min的升温速率升温至750℃，粘合玻璃衬底中的钼酸钠和铼酸钠在该反应温度下受热溶解、扩散，并在玻璃衬底的表面析出，与第一加热区挥发进入第二加热区的硫源反应，保温反应10min，反应结束后自然冷却，在衬底表面得到大面积均匀分布的铼掺杂二硫化钼单层材料。
采用与实施例1相同的方法，测得本实施例所制得铼掺杂二硫化钼单层材料的分布尺寸达到10～100μm；厚度为0.7～0.8nm；在25mm×15mm的大面积玻璃衬底表面均匀分布。
实施例6：
本实施例提供了一种大面积、高度均匀二硫化钼钨(MoxW1-xS2)合金薄层材料及其制备方法，该制备方法包括以下步骤：
(1)将0.24mg钼酸钠和3.6mg钨酸钠均匀地铺设在长度、宽度、厚度为25mm×15mm×3mm的钠钙玻璃衬底表面，在鼓风干燥箱中完全干燥后，盖上同等大小、厚度为0.15mm的钠钙玻璃衬底；在660℃马弗炉中进行热处理30min，升温速率为20℃/min；热处理后，两玻璃衬底熔融粘合在一起；
(2)将步骤(1)中粘合的玻璃同时作为衬底和过渡金属源置于管式炉的第二加热区，硫粉(硫源)置于管式炉中第二加热区上游的第一加热区，所用硫粉质量为150mg；
(3)向步骤(2)所述管式炉中以50mL/min的速率通入氩气，通过机械泵使得管式炉中压力为1.2Torr；第一加热区保持加热温度为150℃，第二加热区以50℃/min的升温速率升温至750℃，粘合玻璃衬底中的钼酸钠和钨酸钠在该反应温度下受热溶解、扩散，并在玻璃衬底的表面析出，与第一加热区挥发进入第二加热区的硫源反应，保温反应10min，反应结束后自然冷却，在衬底表面得到大面积均匀分布的二硫化钼钨(MoxW1-xS2)合金单层材料。
采用与实施例1相同的方法，测得本实施例所制得二硫化钼钨(MoxW1-xS2)合金单层材料光学显微镜图和激光拉曼谱图如图11所示，其中，(a)为光学显微镜图，(b)为激光拉曼谱图；该二硫化钼钨合金单层材料的分布尺寸达到10～20μm；厚度为0.7～0.8nm；在25mm×15mm的大面积玻璃衬底表面均匀分布。
对比例1
(1)将10mg三氧化钼以及Si/SiO2衬底置于管式炉的第二加热区，Si/SiO2衬底面朝下置于三氧化钼正上方，硫粉置于管式炉中第二加热区上游的第一加热区，所用硫粉质量为600mg；
(2)向步骤(1)所述管式炉中以200mL/min的速率通入氩气，第一加热区保持加热温度为250℃，第二加热区以20℃/min的升温速率升温至700℃，保温反应10min，反应结束后自然冷却，得到二硫化钼薄层材料。
分别测试对比例1所制得二硫化钼薄层材料的光致发光图和二硫化钼薄层材料上不同位置P1-P4的光学显微镜图，所得结果如图12和图13所示。图13中，P1-P4分别表示在对比例1所制得二硫化钼薄层材料上的不同位置取点进行测试，由图13所示结果可知，在不同的位置所观察到的样品形貌不一致，说明对比例所制得二硫化钼薄层材料分布不均匀。
由上可知，本发明通过采用“溶解-析出”化学气相沉积方法，可制备大面积均匀的过渡金属硫族化合物薄层材料，同时亦可以实现过渡金属硫化物的掺杂，所得材料的分布尺寸可达到20～200μm，厚度仅为0.7～20nm，具有优异的光学、电学等性能，在电子器件、光学器件、传感器、电化学催化等领域应用前景广阔。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所述权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种过渡金属硫族化合物薄层材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将过渡金属源均匀铺设于两块衬底之间，制备成夹层结构；
S2、将所述夹层结构进行热处理，使两块衬底熔融粘合在一起；
S3、将硫族元素源和步骤S2处理后的夹层结构在保护气体的保护下进行化学气相沉积反应；所述过渡金属源在反应温度下受热溶解、扩散，并在所述衬底表面析出，与所述硫族元素源反应；所述硫族元素源包括硫源、硒源、碲源中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的过渡金属硫族化合物薄层材料的制备方法，其特征在于，所述过渡金属源选自钼源、钨源、钒源、铼源、钽源、铌源、钛源、铂源、钯源中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的过渡金属硫族化合物薄层材料的制备方法，其特征在于，所述硫源选自固相硫源、液相硫源、气相硫源中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的过渡金属硫族化合物薄层材料的制备方法，其特征在于，所述过渡金属源与所述硫族元素源的质量比为1：（10~300）。
5.根据权利要求1所述的过渡金属硫族化合物薄层材料的制备方法，其特征在于，所述衬底为玻璃衬底。
6.根据权利要求5所述的过渡金属硫族化合物薄层材料的制备方法，其特征在于，所述玻璃衬底的材质选自钠钙玻璃、钾玻璃、铝镁玻璃、铅钾玻璃、硼硅玻璃、石英玻璃中的一种或多种。
7.根据权利要求5所述的过渡金属硫族化合物薄层材料的制备方法，其特征在于，两块衬底包括底层衬底和上层衬底，所述底层衬底的厚度范围为0.01~50.00mm，所述上层衬底的厚度范围为0.01~0.50mm。
8.根据权利要求7所述的过渡金属硫族化合物薄层材料的制备方法，其特征在于，两块衬底的面积均为（1~100）cm2，所述过渡金属源在衬底上的担载量为(0.2~10) mg/cm2。
9.根据权利要求1所述的过渡金属硫族化合物薄层材料的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述热处理的温度为100~720℃。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的过渡金属硫族化合物薄层材料的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述化学气相沉积反应在0.05~1000Torr、200~780℃以及保护气体的保护下进行；所述保护气体为氮气、氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氡气、氢气、二氧化碳中的一种或多种。
11.一种过渡金属硫族化合物薄层材料，其特征在于，由权利要求1-10中任一项所述的过渡金属硫族化合物薄层材料的制备方法制得。
12.权利要求11所述过渡金属硫族化合物薄层材料在电子器件、光学器件、光电器件、化学生物传感器或电化学催化器件中的应用。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111285402B (zh) * 2020-02-18 2021-06-15 湖南大学 一种单层过渡金属硫化物的制备方法
CN113511681B (zh) * 2020-04-09 2022-06-03 北京大学 一种硫族元素化合物晶片辅助局域生长过渡金属硫族化合物的方法
CN111545221B (zh) * 2020-04-22 2023-07-25 清华-伯克利深圳学院筹备办公室 同源金属梯度材料及其制备方法和应用
CN111398365B (zh) * 2020-04-30 2023-08-25 中国人民解放军陆军防化学院 一种基于二硫化钼的氨气气体传感器及制备方法
CN111893456A (zh) * 2020-07-09 2020-11-06 清华-伯克利深圳学院筹备办公室 二维过渡金属硫族化合物及其制备方法和器件
CN113088922B (zh) * 2021-03-31 2023-04-07 西北工业大学 一种晶圆级绝对单层过渡金属硫族化合物的制备方法和应用
CN113201723B (zh) * 2021-04-30 2022-09-02 清华-伯克利深圳学院筹备办公室 掺杂型过渡金属硫族化合物薄膜及其制备方法和应用
CN113666341A (zh) * 2021-08-24 2021-11-19 昆明理工大学 一种硫属化合物管状材料的制备方法
CN114249316B (zh) * 2021-12-07 2023-06-06 厦门大学 一种双温区高温合成金属掺杂富勒烯材料的方法及装置
CN115287743B (zh) * 2022-08-16 2023-12-22 北京航空航天大学 一种二维材料的合成方法、二维材料及其应用
CN115367714A (zh) * 2022-08-31 2022-11-22 西北工业大学 一种二硒化钨纳米片及其制备方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5298295A (en) * 1991-04-10 1994-03-29 Wayne State University Chemical vapor deposition of metal chalcogenide films
WO2015150791A1 (en) * 2014-03-31 2015-10-08 Isis Innovation Limited Process for the production of two-dimensional nanomaterials
CN106929827A (zh) * 2017-04-27 2017-07-07 郑州大学 一种少层MoS2薄膜的制备方法
CN109023298A (zh) * 2018-08-21 2018-12-18 清华-伯克利深圳学院筹备办公室 一种过渡金属掺杂二硫化钼薄层材料及其制备方法和用途

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150118487A1 (en) * 2013-10-25 2015-04-30 Colin A. Wolden Plasma-assisted nanofabrication of two-dimensional metal chalcogenide layers
CN104233214B (zh) * 2014-08-28 2018-10-12 中国科学院物理研究所 一种二硒化铂晶体材料及其制备方法
US9620665B1 (en) * 2015-06-17 2017-04-11 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Method for improved growth of two-dimensional transition metal dichalcogenides
US9640391B2 (en) * 2015-06-23 2017-05-02 The Trustees Of The Stevens Institute Of Technology Direct and pre-patterned synthesis of two-dimensional heterostructures
US10062568B2 (en) * 2016-05-13 2018-08-28 Nanoco Technologies, Ltd. Chemical vapor deposition method for fabricating two-dimensional materials
CN108408782B (zh) * 2018-06-19 2020-05-19 广东工业大学 一种竖立二硫化钼纳米片的制备方法
CN109023296B (zh) * 2018-08-06 2020-08-25 华东师范大学 一种在氟金云母衬底上化学气相沉积生长钼钨硒合金的方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5298295A (en) * 1991-04-10 1994-03-29 Wayne State University Chemical vapor deposition of metal chalcogenide films
WO2015150791A1 (en) * 2014-03-31 2015-10-08 Isis Innovation Limited Process for the production of two-dimensional nanomaterials
CN106929827A (zh) * 2017-04-27 2017-07-07 郑州大学 一种少层MoS2薄膜的制备方法
CN109023298A (zh) * 2018-08-21 2018-12-18 清华-伯克利深圳学院筹备办公室 一种过渡金属掺杂二硫化钼薄层材料及其制备方法和用途

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Chemical Vapor Deposition of Large-size Monolayer MoSe2 Crystals on Molten Glass;Jianyi Chen et al.;《Journal of the American Chemical Society》;20170104;第139卷(第3期);369-378 *
Self-Limiting Growth of High-Quality 2D Monolayer MoS2 by Direct Sulfurization Using Precursor-Soluble Substrates for Advanced Field-Effect Transistors and Photodetectors;Yang Lu et al.;《ACS Applied Nano Materials》;20181224(第2期);1073-1076 *

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