CN112760613A - 一种碳掺杂的二硫化钼纳米材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碳掺杂的二硫化钼纳米材料的制备方法，所述制备方法包括：(1)将含C的MoO3源材料和S源材料放置在化学气相沉积设备的不同位置；(2)对化学气相沉积设备进行加热，并分别控制含C的MoO3源材料和S源材料位置的温度，反应得到碳掺杂的二硫化钼纳米材料。本发明提供的制备方法简单，通过控制MoO3源材料中C的含量以及反应温度，可以简单地得到不同碳掺杂的二硫化钼纳米材料、制备的材料具有不同的能带结构，制备成本低。

Description

一种碳掺杂的二硫化钼纳米材料的制备方法
技术领域
本发明涉及二维纳米材料技术领域，具体涉及一种碳掺杂的二硫化钼纳米材料的制备方法。
背景技术
随着芯片小型化、多功能化发展，内含光、电子器件对材料提出了更高要求。新型的二维材料如石墨烯、过渡金属硫族化合物如二硫化钼等具有传统材料没有的众多独特特性，因此受到学术界和工业界的广泛关注。
二维的二硫化钼(MoS2)是一种层状材料，因层数不同，其禁带宽度约为1.2～1.9eV之间，并且仅有当MoS2为单层时才是直接带隙半导体(禁带宽度约为1.9eV)，具有特征波长的发光特性，因此其可以用来制备光电子器件，比如发光器件、光探测器、晶体管等。对于光电子器件而言，依据不同的应用，需要具有不同带隙的半导体材料。这样对于过渡金属硫族化合物，如果要改变能带结构，则一般需要制备过渡金属硫族化合物的合金材料如MoSxSe2(1-x)【Materials Research Express 4,045004(2017)】等。然而，合成这类合金材料存在一定的困难，需要控制的制备参数复杂【Materials Research Express 4,045004(2017)】。
综上所述，过渡金属硫族化合物如MoS2材料存在能带结构以及发光波长的限制，以及过渡金属硫族化合物的合金材料如MoSxSe2(1-x)制备困难等技术问题，从而，难以满足光电子器件应用要求。
发明内容
针对本领域存在的不足之处，本发明提供了一种碳掺杂的二硫化钼纳米材料的制备方法，制备方法简单，并且制备的碳掺杂的二硫化钼具有高晶体质量，具有不同的能带结构和光电特性。
一种碳掺杂的二硫化钼纳米材料(碳掺杂的MoS2)的制备方法，所述制备方法包括：
(1)将含C的MoO3源材料和S源材料放置在化学气相沉积设备的不同位置；
(2)对化学气相沉积设备进行加热，并分别控制含C的MoO3源材料和S源材料位置的温度，反应得到碳掺杂的二硫化钼纳米材料。
作为优选，所述含C的MoO3源材料中C的含量为0.1％-2.0％。通过控制含C的MoO3源材料中C的含量，可以来调节制备的碳掺杂的二硫化钼纳米材料中碳的掺杂量。
作为优选，所述含C的MoO3源材料和S源材料位置的温度分别控制在650–850℃和120–150℃之间。通过控制温度来控制含C的MoO3源材料和S源材料的蒸发速率，从而来调节制备的碳掺杂的二硫化钼纳米材料中碳的掺杂量。
作为优选，所述含C的MoO3源材料和S源材料位置的温度分别控制在750–850℃和120–130℃之间。
作为优选，所述化学气相沉积设备的反应室通有惰性气体Ar或N2作为载气，反应在常压或者低压下进行。
作为优选，所述化学气相沉积的反应气压为0.1–2000Pa。气压可以通过调节Ar或N2载气的流量控制。
在本发明中，所述化学气相沉积设备可为石英管式反应高温炉。
所述含C的MoO3源材料放置在化学气相沉积设备中的目标衬底上，所述S源材料放置在与目标衬底间隔一定距离的位置。所述目标衬底的材质可以为Si/SiO2、云母或蓝宝石等。
在发明提供的制备方法中，反应时间、反应室的气压等也会对碳掺杂的MoS2材料的结构、质量以及性能有影响，但这些因素都是本领域的常规技术。
另外，以上主要涉及到合成单层的碳掺杂的MoS2材料，但是在本发明的思路下，通过调节制备参数，也可以得到层数多于一层的碳掺杂的MoS2材料。
本发明与制备不同能带结构的过渡金属硫族化合物的合金材料如MoSxSe2(1-x)现有技术相比，主要优点包括：只需控制两个源材料的蒸发温度，而不需要控制如制备MoSxSe2(1-x)的MoO3源、S源以及Se源的温度，这样制备工艺技术简单、成本低；本发明通过控制不同的掺杂碳含量可以控制不同的能带结构，获得具有不同的光电性能的碳掺杂的MoS2纳米材料。
附图说明
图1为本发明的理论计算得到的不同碳原子掺杂的MoS2的能隙(注：理论计算值与实验值存在一定的差异)，计算模型是采用3*3阵列的MoS2，即计算时有9个Mo原子和18个S原子；
图2为实施例1制备得到的碳掺杂的MoS2二维材料的结果；
图3为实施例2制备得到的碳掺杂的MoS2二维材料的结果；
图4为实施例3制备得到的的碳掺杂的MoS2二维材料的结果；
图5为对比例1制备的MoS2二维材料的结果。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例，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。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。
图1为理论计算不同碳掺杂的MoS2的禁带宽度，说明通过掺杂碳可以调控MoS2的能带结构。从该图可知：计算得到的不掺杂的单层的MoS2的能隙为1.64eV，小于实验值(约1.90eV)；同时，掺杂的碳原子可以取代Mo或者S的晶格位置。
实施例1
本实施例采用石英管式化学气相沉积设备。将含碳0.5％的MoO3粉(约10毫克)铺设在Si/SiO2的目标衬底上，这衬底与单质硫一起装入石英管炉，该衬底与单质硫相隔一定的距离如12cm。对石英管炉抽真空，然后对衬底区加热，在60分钟内将温度加热到750℃，反应维持恒温10分钟；在对衬底区进行加热的同时对S源进行加热至130℃。反应结束后，自然冷却至室温。这样，得到碳掺杂的二维MoS2薄膜。整个过程高温炉保持在低压(比如压强约为0.1Pa)，整个过程通入惰性气体如氩气作为载气，流量约为100sccm。
针对实施例1所制备的碳掺杂的MoS2薄膜进行表征，如图2所示：图2a为光学显微镜照片，其中三角形为制备的样品；图2b为原子力显微镜照片，其中插线条图表明所制备的样品的厚度为0.7nm，表明是单层的样品；图2c为Raman图谱，表明样品含有MoS2；图2d-2f为光电子能谱图，表明样品是含有C的MoS2。这些分析得知产物为碳掺杂的MoS2，说明本实施例得到了二维的碳掺杂的MoS2。
本实施例制备的碳掺杂的MoS2的禁带宽度约为1.72eV。
实施例2
本实施例将含碳0.1％的MoO3粉(约15毫克)铺设在云母目标衬底上，这衬底与单质硫一起装入高温炉，该衬底与单质硫相隔一定的距离如10cm。对高温炉抽真空，然后对衬底区加热，先以每分钟20℃的升温速率将温度升到500℃，然后保持5分钟；再在10分钟内将温度升到850℃，反应维持恒温20分钟；在对衬底区进行加热的同时对S源进行加热至120℃。反应结束后，自然冷却至室温，得到碳掺杂的二维MoS2薄膜。整个过程高温炉保持在常压，整个过程通入惰性气体如氩气作为载气，流量约为50sccm。
针对实施例2所制备的碳掺杂的MoS2薄膜进行表征，如图3所示为俄歇扫描电子显微镜对所制备的样品的俄歇元素分析：图3a-图3c分别为Mo、S和C元素的俄歇电子像，说明所制备的样品为碳掺杂的MoS2，并且碳原子在MoS2中分布均匀，本实施例得到了二维的碳掺杂的MoS2。
本实施例制备的碳掺杂的MoS2的禁带宽度约为1.70eV。
实施例3
本实施例将含碳2.0％的MoO3粉(约20毫克)铺设在蓝宝石目标衬底上，这衬底与单质硫一起装入高温炉，该衬底与单质硫相隔一定的距离如18cm。对高温炉抽真空，然后对衬底区加热，先以每分钟10℃的升温速率将温度升到400℃，然后保持10分钟；再在15分钟内将温度升到650℃，反应维持恒温30分钟；在对衬底区进行加热的同时对S源进行加热至150℃。反应结束后，自然冷却至室温，得到碳掺杂的二维MoS2薄膜。整个过程高温炉保持在2000Pa的低压下，整个过程通入惰性气体如氮气作为载气，流量约为200sccm。
针对实施例3所制备的碳掺杂的MoS2薄膜进行表征，如图4所示为俄歇扫描电子显微镜对所制备的样品的俄歇元素分析：图4a-图4d分别为二次电子的扫描电子像，C、Mo和S的俄歇电子像，说明所制备的样品为碳掺杂的MoS2，本发明得到了二维的碳掺杂的MoS2。
本实施例制备的碳掺杂的MoS2的禁带宽度约为1.78eV。
对比例1
本实施例采用石英管式化学气相沉积设备。将含纯度为99.99％的MoO3粉(约10毫克)铺设在Si/SiO2的目标衬底上，这衬底与单质硫一起装入石英管炉，该衬底与单质硫相隔一定的距离如12cm。对石英管炉抽真空，然后对衬底区加热，在60分钟内将温度加热到750℃，反应维持恒温10分钟；在对衬底区进行加热的同时对S源进行加热至130℃。反应结束后，自然冷却至室温，得到不含碳掺杂的二维MoS2薄膜。整个过程高温炉保持在低压(比如压强约为0.1Pa)，整个过程通入惰性气体如氩气作为载气，流量约为100sccm。
针对对比例1所制备的MoS2薄膜进行表征，如图5所示为俄歇扫描电子显微镜对所制备的样品的俄歇元素分析：图5a-图5d分别为二次电子的扫描电子像，Mo、S和C的俄歇电子像，从图5d可知制备的样品不含C，说明使用不含C的MoO3所制备的样品为纯的MoS2。
本对比例制备的碳掺杂的MoS2的禁带宽度约为1.80eV。
此外应理解，在阅读了本发明的上述描述内容之后，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。

Claims (8)

1.一种碳掺杂的二硫化钼纳米材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
(1)将含C的MoO3源材料和S源材料放置在化学气相沉积设备的不同位置；
(2)对化学气相沉积设备进行加热，并分别控制含C的MoO3源材料和S源材料位置的温度，反应得到碳掺杂的二硫化钼纳米材料。
2.根据权利要求1所述的碳掺杂的二硫化钼纳米材料的制备方法，其特征在于，所述含C的MoO3源材料中C的含量为0.1％-2.0％。
3.根据权利要求1所述的碳掺杂的二硫化钼纳米材料的制备方法，其特征在于，所述含C的MoO3源材料和S源材料位置的温度分别控制在650–850℃和120–150℃之间。
4.根据权利要求1所述的碳掺杂的二硫化钼纳米材料的制备方法，其特征在于，所述含C的MoO3源材料和S源材料位置的温度分别控制在750–850℃和120–130℃之间。
5.根据权利要求1所述的碳掺杂的二硫化钼纳米材料的制备方法，其特征在于，所述化学气相沉积设备的反应室通有惰性气体Ar或N2作为载气，反应在常压或者低压下进行。
6.根据权利要求1所述的碳掺杂的二硫化钼纳米材料的制备方法，其特征在于，所述化学气相沉积的反应气压为0.1–2000Pa。
7.根据权利要求1所述的碳掺杂的二硫化钼纳米材料的制备方法，其特征在于，所述含C的MoO3源材料放置在化学气相沉积设备中的目标衬底上，所述S源材料放置在与目标衬底间隔一定距离的位置。
8.根据权利要求7所述的碳掺杂的二硫化钼纳米材料的制备方法，其特征在于，所述目标衬底的材质可以为Si/SiO2、云母或蓝宝石。
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