CN111960471B - 调控二维晶体带隙的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种调控二维晶体带隙的方法，方法包括：在第一基底上生长单层二硫化物，二硫化物为二硫化钼或二硫化钨，准备第二基底，第二基底的制备方法为：在真空状态下，对镀有金的SiO2/Si基底的金层上蒸镀二氧化硅并作为隔离层；在第一基底的单层二硫化物上涂覆聚甲基丙烯酸甲酯，再于150～180℃加热5～10分钟，浸入KOH水溶液2～3小时，将负载有PMMA的单层二硫化物放入水中，再用第二基底将单层二硫化物从水中托出，干燥，再去除单层二硫化物表面的PMMA，本发明通过生长以及转移单层二硫化钼和二硫化钨至蒸镀有不同隔离层厚度和无隔离层镀金的SiO2/Si基底，实现了对单层二硫化钼和二硫化钨的带隙调控。

Description

调控二维晶体带隙的方法
技术领域
本发明属于晶体带隙调控技术领域，具体来说涉及一种调控二维晶体带隙的方法。
背景技术
二维晶体是具有原子层厚度的层状结构，并且具有丰富的元素组成及特别的电子结构,展现出独特的物理、化学性质。继石墨烯以后，二维过渡金属硫属化合物因其类石墨烯的层状结构越来越受到人们的关注。二维晶体的带隙对其光、电、催化等性能具有显著的影响，目前常用调控二维晶体带隙的方法，如掺杂、化学修饰、应力作用等，过程复杂且可重复性差，成功率低。因此一种简单可行的方法亟待发掘。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种调控二维晶体带隙的方法，该方法不需改变二维晶体的内部原子排列，制作过程简单，成功率高。
本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的。
一种调控二维晶体带隙的方法，包括以下步骤：
1)在第一基底上生长单层二硫化物，二硫化物为二硫化钼或二硫化钨；
在所述步骤1)中，所述第一基底为镀有SiO2层的Si片。
在所述步骤1)中，当二硫化物为二硫化钼时，生长单层二硫化物的方法为：将管式炉的一端设置为低温端，另一端设置为高温端，在低温端放置0.2～0.3质量份数的硫粉，在高温端放置三氧化钼与氯化钠的混合物以及所述第一基底，在惰性气体下，使所述低温端的温度为100～300℃且高温端的温度为700～750℃，保温3～5分钟，随炉冷却至室温20～25℃，其中，所述第一基底位于所述混合物的正上方且SiO2层朝向所述混合物，所述混合物的质量份数为1～3质量份数，按质量份数计，所述三氧化钼与氯化钠的比为(1～1.5):(0.1～0.2)，高温端的升温的速率为30～40℃/min，低温端的升温的速率为10～15℃/min；
在所述步骤1)中，当二硫化物为二硫化钨时，生长单层二硫化物的方法为：将硫化钨粉末和所述第一基底放置于管式炉中且SiO2层与管式炉的内壁分离开，在惰性气体下，同时使所述硫化钨粉末于1130℃～1150℃且所述第一基底于800～1050℃保温3～5分钟，所述第一基底距离硫化钨粉末为4.5～8.5cm，随炉冷却至室温20～25℃，1130℃～1150℃的升温的速率为70～85℃/min，800～1050℃的升温速率为50～65℃/min，所述硫化钨粉末的质量为0.9～1g；
在上述技术方案中，所述SiO2层的厚度为280nm。
在上述技术方案中，所述惰性气体为70～100sccm。
在上述技术方案中，所述管式炉中石英管的长度为80～100cm,内径为25～30mm。
在上述技术方案中，所述第一基底和第二基底的面积分别为(0.7～1)cm×(0.5～1)cm。
2)准备第二基底，所述第二基底的制备方法为：在真空状态下，对镀有厚度为280～300nm金的SiO2/Si基底的金层上蒸镀二氧化硅(SiO2)并作为隔离层；在第一基底的单层二硫化物上涂覆聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，再于150～180℃加热5～10分钟，浸入KOH水溶液2～3小时至负载有PMMA的单层二硫化物从第一基底上脱落，将负载有PMMA的单层二硫化物放入水中，再用第二基底将所述单层二硫化物从水中托出且第二基底的金层一面朝向所述负载有PMMA的单层二硫化物，干燥，再去除单层二硫化物表面的PMMA，当所述二硫化物为二硫化钼时隔离层的厚度为0～2nm，当所述二硫化物为二硫化钨时隔离层的厚度为0～20nm。
在所述步骤2)中，所述KOH水溶液中KOH的浓度为0.13～0.15g/mL。
在所述步骤2)中，所述真空状态为压强为5.0×10-3～8.0×10-3Pa，在蒸镀前使SiO2/Si基底于170-180℃保温900s；蒸镀的原料为二氧化硅。
在所述步骤2)中，在第一基底的单层二硫化物上涂覆聚甲基丙烯酸甲酯的方法为：在第一基底的单层二硫化物上滴加200～300μL聚甲基丙烯酸甲酯，采用匀胶台5000～6000转/分钟匀胶1～5分钟。
在所述步骤2)中，所述干燥为45～50℃保持3～5小时。
在所述步骤2)中，去除单层二硫化物表面的PMMA的方法为：将第二基底浸泡于丙酮中3～5分钟。
本发明的有益效果为：通过生长以及转移单层二硫化钼和二硫化钨至蒸镀有不同隔离层厚度和无隔离层镀金的SiO2/Si基底，使得其带隙发生明显变化，实现了对单层二硫化钼和二硫化钨的带隙调控。
附图说明
图1为实施例1中第一基底上生长单层二硫化钼的PL光谱；
图2为实施例4中第一基底上生长单层二硫化钨的PL光谱；
图3为实施例1～3的管式炉中材料放置的结构示意图；
图4为实施例4～5的管式炉中材料放置的结构示意图；
图5为实施例3和对比例3所得产品的PL光谱；
图6为实施例1和对比例1所得产品的PL光谱；
图7为实施例2和对比例2所得产品的PL光谱；
图8为实施例5和对比例5所得产品的PL光谱；
图9为实施例4和对比例4所得产品的PL光谱。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
下述实施例1～2的管式炉中石英管的长度为80cm，内径为30mm。
下述实施例4的管式炉中石英管的长度为100cm,内径为25mm。
第一基底和第二基底的面积均为0.7cm×1cm。
名称 规格 厂家
去离子水 高纯 (自制)德国默克密理博Elix Essential纯水系统
丙酮 分析纯 太仓沪试试剂有限公司
WS<sub>2</sub> 99.8％ 阿法埃莎(中国)化学有限公司
硫粉(S) 99.5％ 阿法埃莎(中国)化学有限公司
氯化钠(NaCl) 99.99％ 福晨(天津)化学试剂有限公司
SiO<sub>2</sub>/Si基底 N 苏州研材微纳科技有限公司
氩气(Ar) 99.999％ 天津市静海县环宇制氧有限公司
获得镀有金的SiO2/Si基底的方法见参考文献(金层位于SiO2/Si基底的SiO2层一侧)：付学成,权雪玲,王凤丹,李进喜,王英.电子束蒸镀金膜表面黑颗粒物问题的研究[J].实验室研究与探索,2018,37(09):48-51。
实施例1～2
一种调控二维晶体带隙的方法，包括以下步骤：
1)准备镀有SiO2层的Si片作为第一基底，SiO2层的厚度为280nm，在第一基底上生长单层二硫化物，二硫化物为二硫化钼，生长单层二硫化物的方法为：将管式炉的一端设置为低温端，另一端设置为高温端，在低温端放置0.2mg的硫粉，在高温端放置三氧化钼与氯化钠的混合物以及第一基底，如图3所示，在80sccm的氩气下，使低温端的温度为300℃且高温端的温度为720℃，保温3分钟，随炉冷却至室温20～25℃，其中，第一基底位于混合物的正上方且SiO2层朝向混合物，混合物的质量为2.1mg，按质量份数计，三氧化钼与氯化钠的比为1.1:0.1，高温端的升温的速率为30℃/min，低温端的升温的速率为11℃/min；第一基底上生长单层二硫化钼的PL光谱如图1所示。由图1可知在第一基底上得到了单层二硫化钼。
2)准备第二基底，第二基底的制备方法为：在压强为8.0×10-3Pa的真空状态下，在电子束蒸发-离子束辅助镀膜机中对镀有厚度为300nm金的SiO2/Si基底的金层上蒸镀二氧化硅(SiO2)并使蒸镀后的材料层作为隔离层，隔离层的厚度为X，X如表1所示；在蒸镀前使SiO2/Si基底于180℃保温900s，蒸镀的原料为二氧化硅。
在第一基底的单层二硫化物上滴加200μL聚甲基丙烯酸甲酯，采用匀胶台6000转/分钟匀胶1分钟，用于在第一基底的单层二硫化物上涂覆聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，再于加热平台180℃加热10分钟，浸入KOH的浓度为0.15g/mL的KOH水溶液2.5小时至负载有PMMA的单层二硫化物从第一基底上脱落，将负载有PMMA的单层二硫化物放入水中，再用第二基底将单层二硫化物从水中托出且第二基底的隔离层一面朝向负载有PMMA的单层二硫化物，50℃干燥3小时，再将第二基底浸泡于丙酮中3分钟以去除单层二硫化物表面的PMMA。
表1
实施例 X
实施例1 2nm
实施例2(用于对比) 5nm
实施例3
实施例3与实施例1基本相同，不同之处仅在于第二基底，实施例3中第二基底的为镀有厚度为300nm金的SiO2/Si基底(金层位于SiO2/Si基底的SiO2层一侧)，用第二基底将单层二硫化物从水中托出且第二基底的金层一面朝向负载有PMMA的单层二硫化物。
对比例1
采用与实施例1相同的第一基底以及其上的单层二硫化钼，对比例1与实施例1基本相同，不同之处仅在于第二基底，对比例1中第二基底为SiO2/Si基底(SiO2层的厚度为280nm)，用第二基底将单层二硫化物从水中托出且第二基底的SiO2层一面朝向负载有PMMA的单层二硫化物。
对比例2
采用与实施例2相同的第一基底以及其上的单层二硫化钼，对比例2与实施例2基本相同，不同之处仅在于第二基底，对比例2中第二基底为SiO2/Si基底(SiO2层的厚度为280nm)，用第二基底将单层二硫化物从水中托出且第二基底的SiO2层一面朝向负载有PMMA的单层二硫化物。
对比例3
采用与实施例3相同的第一基底以及其上的单层二硫化钼，对比例3与实施例3基本相同，不同之处仅在于第二基底，对比例3中第二基底为SiO2/Si基底(SiO2层的厚度为280nm)，用第二基底将单层二硫化物从水中托出且第二基底的SiO2层一面朝向负载有PMMA的单层二硫化物。
实施例4
一种调控二维晶体带隙的方法，包括以下步骤：
1)准备镀有SiO2层的Si片作为第一基底，SiO2层的厚度为280nm，在第一基底上生长单层二硫化物，二硫化物为二硫化钨，生长单层二硫化物的方法为：将硫化钨粉末和第一基底放置于管式炉中且SiO2层朝上并与管式炉的内壁分离开，在95sccm的氩气下，同时使硫化钨粉末于1130℃且第一基底于950℃保温3分钟，第一基底距离硫化钨粉末为4.5cm，如图4所示，随炉冷却至室温20～25℃，1130℃的升温的速率为75℃/min，950℃的升温速率为64℃/min，硫化钨粉末的质量为1g；在第一基底上生长单层二硫化钨的PL光谱图如图2所示，由图2可知在第一基底上得到了单层二硫化钨。
2)准备第二基底，第二基底的制备方法为：在压强为8.0×10-3Pa的真空状态下，在电子束蒸发-离子束辅助镀膜机中对镀有厚度为300nm金的SiO2/Si基底的金层上蒸镀二氧化硅(SiO2)并作为隔离层，隔离层的厚度为20nm；在蒸镀前使SiO2/Si基底于180℃保温900s，蒸镀的原料为二氧化硅。
在第一基底的单层二硫化物上滴加200μL聚甲基丙烯酸甲酯，采用匀胶台6000转/分钟匀胶1分钟，用于在第一基底的单层二硫化物上涂覆聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，再于180℃加热10分钟，浸入KOH的浓度为0.15g/mL的KOH水溶液2.5小时至负载有PMMA的单层二硫化物从第一基底上脱落，将负载有PMMA的单层二硫化物放入水中，再用第二基底将单层二硫化物从水中托出且第二基底的隔离层一面朝向负载有PMMA的单层二硫化物，50℃干燥3小时，再将第二基底浸泡于丙酮中3分钟以去除单层二硫化物表面的PMMA。
实施例5
实施例5与实施例4基本相同，不同之处仅在于第二基底，实施例5中第二基底的为镀有厚度为300nm金的SiO2/Si基底(金层位于SiO2/Si基底的SiO2层一侧)，用第二基底将单层二硫化物从水中托出且第二基底的金层一面朝向负载有PMMA的单层二硫化物。
对比例4
采用与实施例4相同的第一基底以及其上的单层二硫化钼，对比例4与实施例4基本相同，不同之处仅在于第二基底，对比例4中第二基底为SiO2/Si基底(SiO2层的厚度为280nm)，用第二基底将单层二硫化物从水中托出且第二基底的SiO2层一面朝向负载有PMMA的单层二硫化物。
对比例5
采用与实施例5相同的第一基底以及其上的单层二硫化钼，对比例5与实施例5基本相同，不同之处仅在于第二基底，对比例5中第二基底为SiO2/Si基底(SiO2层的厚度为280nm)，用第二基底将单层二硫化物从水中托出且第二基底的SiO2层一面朝向负载有PMMA的单层二硫化物。
图5是本发明实施例3与对比例3提供的在同一激光波长532nm下进行的PL测试光谱对比，发现与对比例3相比，实施例3的发光位置发生明显红移现象，光学带隙减小。
图6是本发明实施例1与对比例1提供的在同一激光波长532nm下进行的PL测试光谱对比，发现与对比例1相比，实施例1的发光位置发生明显红移现象，光学带隙减小。
图7是本发明实施例2(用于对比)与对比例2提供的在同一激光波长532nm下进行的PL测试光谱对比，发现与对比例2相比，实施例2的发光位置未发生明显红移现象，光学带隙未见明显变化。
图8是本发明实施例5与对比例5提供的在同一激光波长532nm下进行的PL测试光谱对比，发现与对比例5相比，实施例5的发光位置发生明显红移现象，光学带隙减小。
图9是本发明实施例4与对比例4提供的在同一激光波长532nm下进行的PL测试光谱对比，发光强度进行了归一化处理，发现与对比例4相比，实施例4的发光位置发生明显红移现象，光学带隙减小。
注：由于受环境温度影响，即使在同一制备条件下，不同环境温度下所制备的单层二硫化钼和二硫化钨的结晶质量不同，其PL光谱不同。因此，实施例N与对比例N所使用的第一基底上生长单层二硫化物为步骤1)获得同一块第一基底上的各一半。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种调控二维晶体带隙的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在第一基底上生长单层二硫化物，二硫化物为二硫化钼或二硫化钨；
2)准备第二基底，所述第二基底的制备方法为：在真空状态下，对镀有厚度为280～300nm金的SiO2/Si基底的金层上蒸镀二氧化硅并作为隔离层；在第一基底的单层二硫化物上涂覆聚甲基丙烯酸甲酯，再于150～180℃加热5～10分钟，浸入KOH水溶液2～3小时至负载有PMMA的单层二硫化物从第一基底上脱落，将负载有PMMA的单层二硫化物放入水中，再用第二基底将所述单层二硫化物从水中托出且第二基底的金层一面朝向所述负载有PMMA的单层二硫化物，干燥，再去除单层二硫化物表面的PMMA，当所述二硫化物为二硫化钼时隔离层的厚度为0～2nm，当所述二硫化物为二硫化钨时隔离层的厚度为0～20nm。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤1)中，所述第一基底为镀有SiO2层的Si片。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述步骤1)中，当二硫化物为二硫化钼时，生长单层二硫化物的方法为：将管式炉的一端设置为低温端，另一端设置为高温端，在低温端放置0.2～0.3质量份数的硫粉，在高温端放置三氧化钼与氯化钠的混合物以及所述第一基底，在惰性气体下，使所述低温端的温度为100～300℃且高温端的温度为700～750℃，保温3～5分钟，随炉冷却至室温20～25℃，其中，所述第一基底位于所述混合物的正上方且SiO2层朝向所述混合物，所述混合物的质量份数为1～3质量份数，按质量份数计，所述三氧化钼与氯化钠的比为(1～1.5):(0.1～0.2)，高温端的升温的速率为30～40℃/min，低温端的升温的速率为10～15℃/min。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述步骤1)中，当二硫化物为二硫化钨时，生长单层二硫化物的方法为：将硫化钨粉末和所述第一基底放置于管式炉中且SiO2层与管式炉的内壁分离开，在惰性气体下，同时使所述硫化钨粉末于1130℃～1150℃且所述第一基底于800～1050℃保温3～5分钟，所述第一基底距离硫化钨粉末为4.5～8.5cm，随炉冷却至室温20～25℃，1130℃～1150℃的升温的速率为70～85℃/min，800～1050℃的升温速率为50～65℃/min，所述硫化钨粉末的质量为0.9～1g。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述惰性气体为70～100sccm，所述管式炉中石英管的长度为80～100cm，内径为25～30mm。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一基底和第二基底的面积分别为(0.7～1)cm×(0.5～1)cm。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤2)中，所述KOH水溶液中KOH的浓度为0.13～0.15g/mL，所述真空状态为压强为5.0×10-3～8.0×10-3Pa，在蒸镀前使SiO2/Si基底于170-180℃保温900s；蒸镀的原料为二氧化硅。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤2)中，在第一基底的单层二硫化物上涂覆聚甲基丙烯酸甲酯的方法为：在第一基底的单层二硫化物上滴加200～300μL聚甲基丙烯酸甲酯，采用匀胶台5000～6000转/分钟匀胶1～5分钟。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤2)中，所述干燥为45～50℃保持3～5小时。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤2)中，去除单层二硫化物表面的PMMA的方法为：将第二基底浸泡于丙酮中3～5分钟。
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