CN114763269B - 过渡金属二硫属化物的原子层带和纳米带的水分控制生长方法 - Google Patents
过渡金属二硫属化物的原子层带和纳米带的水分控制生长方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明题为“过渡金属二硫属化物的原子层带和纳米带的水分控制生长方法”。本发明提供了一种在基底上形成单原子层纳米带的方法，其通过使两种或更多种前体粉末在足以经由化学气相沉积将单原子层纳米带沉积到基底上的温度下经受保湿气体流来进行，单原子层纳米带具有过渡金属二硫属化物材料并且基底包括氟金云母、高取向热解石墨、或它们的组合。本发明还描述了通过该方法制备的单原子层纳米带。
Description
相关申请的交叉引用
本申请是2021年1月13日提交的名称为“过渡金属二硫属化物的原子层带和纳米带的水分控制生长方法”的美国专利申请号17/148,129的部分继续申请，其是美国2020年6月25日提交的名称为“过渡金属二硫属化物的原子层带和纳米带的生长方法”的美国专利申请16/912,077的部分继续申请，其要求2020年4月16日提交的名称为“过渡金属二硫属化物的原子层带和纳米带的生长方法”的美国临时申请63/011,075的优先权。本申请还要求2021年1月13日提交的名称为“过渡金属二硫属化物的原子层带和纳米带的水分控制生长方法”的美国临时申请63/136,922的优先权。这些申请的内容全文以引用方式明确地并入本文。
背景技术
原子级薄的(即二维)材料诸如石墨烯和过渡金属二硫属化物(TMD)由于其减小的尺寸已在基础科学和实际应用中引起了极大关注，该材料提供了有趣的物理和化学特性，从而具有独特的应用。用于以单晶薄片、大面积膜形式合成，以及以特定图案直接合成原子级薄的TMD的方法描述于，例如，Li等人，“Surfactant-Mediated Growth and Patterningof Atomically Thin Transition Metal Dichalcogenides,”ACS Nano，第10卷，2020年，第6570-6581页，以及2020年11月10日授权的美国专利10,832,906中。具体地讲，根据理论预测，TMD的带和纳米带，其具有二维平面中的附加的空间限制(即，带状形态，其通常具有大于1000的长宽比)以及与二维片材相比更突出的边缘效应，具有提供甚至更加前所未有的特性的潜力。因此，非常需要用于提供原子级薄的TMD带和纳米带的合成和制造方法。
发明内容
本公开涉及一种制备TMD材料的原子层带和纳米带的方法。根据一些方面，该方法包括形成双原子层带，其包含第一单层和定位于第一单层的表面上的第二单层，并且去除该双原子层带的至少一部分以提供如本文所述的TMD材料的双层纳米带。除此之外或另选地，该方法包括形成单原子层纳米带。根据一些方面，形成单原子层纳米带和/或双原子层带可包括使两种或更多种前体粉末与具有特定水分含量的气体接触。本公开还涉及双原子层带和纳米带，以及单原子层纳米带，其根据如本文所述的方法制备。
附图说明
图1A示出了根据本公开的方法中的CVD生长的示意图。
图1B示出了根据本公开的方法中的CVD生长的示意图。
图2A示出了根据本公开的各方面的示例性双原子层带。
图2B示出了图2A的双原子层带的示例性剖视图。
图3A示出了根据本公开的各方面的示例性双原子层带。
图3B示出了图3A的双原子层带的示例性剖视图。
图4A示出了根据本公开的各方面的TMD材料的示例性双原子层纳米带。
图4B示出了图4A的双原子层纳米带的示例性剖视图。
图5A示出了根据本公开的各方面的双原子层带的示例性剖视图。
图5B示出了根据本公开的各方面的单原子层纳米带的示例性剖视图。
图6A示出了根据实施例I制备的双原子层带的扫描电子显微镜(SEM)图像。
图6B示出了根据实施例I制备的双原子层带的SEM图像。
图7A示出了根据实施例I制备的双原子层带的原子力显微镜(AFM)图像。
图7B示出了沿图7A的虚线箭头的高度轮廓。
图8A示出了在五分钟的实施例III中所述的UVO处理后的双原子层带的SEM图像。
图8B示出了在八分钟的实施例III中所述的UVO处理后的双原子层带的SEM图像。
图9A示出了在实施例III中所述的蚀刻处理后的示例性双原子层纳米带的SEM图像。
图9B示出了在实施例III中所述的蚀刻处理后的双原子层纳米带的SEM图像。
图9C示出了在实施例III中所述的蚀刻处理后的双原子层纳米带的SEM图像。
图9D示出了在实施例III中所述的蚀刻处理后的双原子层纳米带的SEM图像。
图10A示出了根据实施例III制备的双原子层纳米带的SEM图像。
图10B示出了根据实施例III制备的图10A中所示的双原子层纳米带中S的俄歇电子能谱(AES)元素分布映射。
图10C示出了根据实施例III制备的图10A中所示的双原子层纳米带中Mo的AES元素分布映射。
图10D示出了根据实施例III制备的图10A中所示的双原子层纳米带中Ni的AES元素分布映射。
图11A示出了根据实施例III制备的双原子层纳米带的AFM图像。
图11B示出了沿图11A的虚线箭头的高度轮廓。
图12示出了根据本公开的各方面的示例性单原子层纳米带。
图13A示出了根据实施例VI制备的在氟金云母基底上的单原子层纳米带的SEM图像。
图13B示出了根据实施例VI制备的在氟金云母基底上的单原子层纳米带的SEM图像。
图14A示出了根据实施例VI制备的在HOPG基底上的单原子层纳米带的SEM图像。
图14B示出了根据实施例VI制备的在HOPG基底上的单原子层纳米带的SEM图像。
图15A示出了根据实施例VI制备的单原子层纳米带的AFM图像。
图15B示出了沿图14A的虚线箭头的高度轮廓。
具体实施方式
本公开涉及一种制备TMD材料的原子层带和纳米带的方法。根据一些方面，该方法可包括形成双原子层带，其包含第一单层和定位于第一单层的表面上的第二单层，并且去除该双原子层带的至少一部分以提供如本文所述的TMD材料的双层纳米带。除此之外或另选地，该方法可包括形成如本文所述的TMD材料的单原子层纳米带。根据一些方面，形成单原子层纳米带和/或双原子层带可包括使两种或更多种前体粉末与具有特定水分含量的混合气体接触。本公开还涉及双原子层带和纳米带，以及单原子层纳米带，其根据如本文所述的方法制备。
如本文所用，术语“带”是指细长结构，即，长宽比大于500，任选地大于1000的结构。如本文所用，术语“纳米带”是指具有至少一个维度在纳米级上的带，例如，具有介于约1nm和100nm之间的宽度的带。
根据一些方面，该方法包括形成双原子层带，其包含第一单层和定位于第一单层的表面上的第二单层，其中形成双原子层带可以包括使两种或更多种前体粉末经受足以经由化学气相沉积(CVD)将TMD材料的单层沉积到基底上的条件。两种或更多种前体粉末可包括金属氧化物粉末和硫属元素粉末。
根据一些方面，该方法包括形成单原子层纳米带，其中形成单原子层纳米带可包括使两种或更多种前体粉末经受足以经由CVD将TMD材料的单层沉积到基底上的条件。两种或更多种前体粉末可包括金属氧化物粉末和硫属元素粉末。
应当理解，可选择金属氧化物粉末和硫属元素粉末，以便提供特定的TMD材料。例如，金属氧化物粉末可包含二氧化钼(MoO2)，并且硫属硫粉可包含硫(S)以提供包含二硫化钼(MoS2)的TMD材料。除此之外或另选地，二氧化钨(WO2)和/或三氧化钨(WO3)可用作金属氧化物粉末和/或硒(Se)可用作硫属元素粉末，使得TMD材料可包含二硫化钨(WS2)和/或二硒化钼(MoSe2)和/或二硒化钨(WSe2)。
根据一些方面，两种或更多种前体粉末还可包括盐粉末。如本文所用，术语“盐”是指具有一种或多种阳离子和一种或多种阴离子的电中性离子化合物。根据本公开可用的盐的示例包括但不限于钠盐和钾盐，诸如NaBr、NaCl、KBr、KCl以及它们的组合。
根据一些方面，两种或更多种前体粉末可包括金属粉末。金属粉末可包含金属，该金属与金属氧化物粉末包含的金属相同或与金属氧化物粉末包含的金属不同。根据一些方面，金属粉末可包含过渡金属，诸如镍(Ni)、铁(Fe)、或它们的组合。
如本文所用，术语“粉末”是指具有平均粒度的颗粒物质。例如，两种或更多种前体粉末中的每一者均可独立地包含具有介于约1nm和100μm之间的平均粒度的颗粒物质。根据一些方面，两种或更多种前体粉末中的至少一种可包括具有介于约1nm和100nm之间的平均粒度的颗粒物质。根据一些方面，两种或更多种前体粉末中的至少一种可包括具有介于约1μm和100μm之间的平均粒度的颗粒物质。根据一些方面，两种或更多种前体粉末中的每一种可包括与另一种前体粉末的平均粒度相同的平均粒度和/或不同的平均粒度。
根据一些方面，基底可包含适用于根据如本文所述的方法的任何惰性材料。根据本公开可用的基底的示例包括但不限于，包含或由以下物质组成的基底：SiO2、Si、Au、c-蓝宝石、氟金云母、SrTiO3、h-BN、高取向热解石墨(HOPG)、或它们的组合。
该方法可包括使两种或更多种前体粉末在足以经由化学气相沉积将TMD材料的单层沉积在基底上的升高的温度下经受保湿气体流。如本文所用，术语“保湿气体”是指含有可测量浓度的可接受水分的气体。例如，保湿气体流可包含一种或多种惰性气体和可测量浓度的可接受水分。根据一些方面，可接受水分可包含去离子(DI)水或由去离子水(DI)组成。根据本公开可用的示例性惰性气体包括但不限于，氩气(Ar)、氮气(N)、以及它们的组合。
保湿气体流(表示为F惰性+水)可通过将第一惰性气体流(表示为F惰性1)与DI水组合，例如通过使第一惰性气体流流过含有DI水的鼓泡器以提供第一保湿惰性气体(表示为F惰性1+水)来提供。根据一些方面，保湿气体流(F惰性+水)可由第一保湿惰性气体(F惰性1+水)组成。另选地，可将第一保湿惰性气体(F惰性1+水)与第二惰性气体流(表示为F惰性2)组合以便提供如本文所述的保湿气体流(F惰性+水)。任选的第二惰性气体流(F惰性2)可包含如本文所述的惰性气体，该惰性气体与由第一惰性气体流(F惰性1)包含的惰性气体相同或不同。
根据一些方面，提供如本文所述的保湿气体流(F惰性+水)还可包括从第一惰性气体流(F惰性1)和/或第二惰性气体流(F惰性2)中去除杂质水分的至少一部分。如本文所用，“杂质水分”可是指气体中含有的任何无意水分。例如，第一惰性气体流和/或第二惰性气体流所含有的杂质水分可以为由气缸和/或周围气氛提供的水分。根据一些方面，可在使第一惰性气体流(F惰性1)流过含有DI水的鼓泡器之前，从该第一惰性气体流(F惰性1)去除杂质水分的至少一部分，以提供第一保湿惰性气体(F惰性1+水)。除此之外或另选地，可在将第二惰性气体流(F惰性2)与第一保湿惰性气体(F惰性1+水)组合之前，从该第二惰性气体流(F惰性2)中去除杂质水分的至少一部分。
根据一些方面，去除杂质水分的至少一部分可包括用根据本公开可用的本领域已知的任何水分捕集器(包括但不限于分子筛)处理第一惰性气体流(F惰性1)和/或第二惰性气体流(F惰性2)。根据一些方面，可从第一惰性气体流(F惰性1)和/或第二惰性气体流(F惰性2)中去除杂质水分中的至少95％，如本文所述。
应当理解，保湿气体流(F惰性+水)中的第一保湿惰性气体的浓度(F惰性1+水)表示为F惰性1+水/(F惰性2+F惰性1+水)。根据一些方面，保湿气体流(F惰性+水)可具有介于约1％和100％之间，任选地介于约5％和100％之间，任选地介于约5％和75％之间，任选地介于约5％和50％之间，并且任选地介于约5％和10％之间的第一保湿惰性气体(F惰性1+水)浓度。
根据一些方面，最终保湿气体流(F惰性+水)中的第一保湿惰性气体(F惰性1+水)的浓度可对应于保湿气体流(F惰性+水)的以ppm为单位的特定可接受水分浓度，如由露点变送器所确定的。例如，在其中通过将76sccm体积流量的第二惰性气体流(F惰性2)与4sccm体积流量的第一保湿惰性气体(F惰性1+水)组合来提供保湿气体流(F惰性+水)的情况下，保湿气体流(F惰性+水)中的第一保湿惰性气体(F惰性1+水)的浓度为5％。在该示例中，保湿气体流(F惰性+水)可具有约100ppm的总可接受水分浓度，如由露点变送器所测量的。
在另一示例中，在其中通过将72sccm体积流量的第二惰性气体流(F惰性2)与8sccm体积流量的第一保湿惰性气体(F惰性1+水)组合来提供保湿气体流(F惰性+水)的情况下，保湿气体流(F惰性+水)中的第一保湿惰性气体(F惰性1+水)的浓度为10％。在该示例中，保湿气体流(F惰性+水)可具有约3000ppm的总可接受水分浓度，如由露点变送器所测量的。
根据一些方面，两种或更多种前体粉末中的每一种均可同时或约同时经受保湿气体流。另选地，可使两种或更多种前体粉末的至少第一部分在该两种或更多种前体粉末的至少第二部分上游经受保湿气体流，以提供两种或更多种前体粉末的第一部分的蒸气气氛。如本文所用，术语“上游”是指相对于参考位置，更靠近流的源(诸如保湿气体流)的位置。应当理解，在一些方面，在两种或更多种前体粉末的第二部分上游提供该两种或更多种前体粉末的第一部分可提供至少部分地围绕该两种或更多种前体粉末的第二部分的气氛，其中该气氛包含该两种或更多种前体粉末的第一部分的蒸气。
图1A示出了惰性气体流11的示例，其中两种或更多种前体粉末的第一部分12在两种或更多种前体粉末的第二部分13上游提供。图1B示出了类似于图1A的示例，其中惰性气体流被保湿气体流111替代，如本文所述。类似于图1A，图1B示出了两种或更多种前体粉末的第一部分12在两种或更多种前体粉末的第二部分13上游提供。
如图1B所示，可通过将第一保湿惰性气体112a与第二惰性气体流112b组合来提供保湿气体流111，如本文所述。第一保湿惰性气体112a可通过使来自第一惰性气体源113a的第一惰性气体流114流过含有DI水的鼓泡器115以提供第一保湿惰性气体112a来提供。如图1B所示，可在使第一惰性气体流114流过鼓泡器115之前通过第一水分捕集器116a从第一惰性气体流114中去除杂质水分的至少一部分。如本文所述，第一水分捕集器116a可被构造成减少或去除第一惰性气体流114中的杂质水分。
如图1B所示，第一保湿惰性气体112a可与第二惰性气体流112b组合以提供保湿气体流111。第二惰性气体流112b可由第二惰性气体源113b提供。在将第一保湿惰性气体112a和第二惰性气体流112b组合之前，可通过第二水分捕集器116b从第二惰性气体流112b中去除杂质水分的至少一部分，如本文所述。类似于第一水分捕集器116a，第二水分捕集器116b可被构造成从第二惰性气体流112b中减少或去除杂质水分。根据一些方面，在进入加热设备14之前，可通过露点变送器117测量保湿气体流111的以ppm为单位的水分浓度，如将在本文描述的。
根据一些方面，两种或更多种前体粉末12的第一部分可包含如本文所述的硫属元素粉末。两种或更多种前体粉末12的第一部分可在第一托盘15中提供。应当理解，如本文所用的，术语“托盘”没有特别限制，并且合适的托盘包括但不限于称量舟皿、坩埚、烧瓶和具有能够承受本文所公开方法的温度漂移的任何形状和/或尺寸的其他容器。
两种或更多种前体粉末的第二部分13可包含前体粉末混合物，该前体粉末混合物包含如本文所述的金属氧化物粉末、金属粉末和盐粉末。如图1A和图1B所示，两种或更多种前体粉末的第二部分13可在如本文所述的第二托盘16中提供，并且可在如本文所述的基底17的近侧(例如，下方，如图1A和图1B中所示)。然而，应当理解，该方法不应限于图1A和1B中所示的布置。例如，图1A和图1B中所示的两种或更多种前体粉末的第二部分13可包含如本文所述的金属氧化物粉末和盐粉末。在该示例中，至少基底17的表面(例如，至少面向图1A和图1B中所示的两种或更多种前体粉末的第二部分13的基底17的表面)可预涂覆有如本文所述的金属粉末。
根据一些方面，在其中前体粉末混合物包含至少如本文所述的金属氧化物粉末和金属粉末的示例中，该前体粉末混合物可具有足以提供如本文所述的TMD材料的双原子层带和/或单原子层纳米带的前体粉末的比率。例如，可选择金属粉末的量和/或金属粉末与金属氧化物粉末的比率，以在基底上提供含金属的纳米颗粒，如本文将描述的。前体粉末混合物所包含的金属氧化物粉末与金属粉末的重量比的非限制性示例可以为约1:0.001至约1:1，任选地约1:0.02至1:0.2。
如图1A和图1B所示，两种或更多种前体粉末的第一部分12和两种或更多种前体粉末的第二部分13可在加热设备14中提供。根据一些方面，加热设备可包括设置有一个或多个加热机构的石英管。示例性加热机构包括但不限于加热丝、加热带和能够提供如本文所述的一种或多种升高的温度的任何机构。
例如，图1A和图1B示出了加热设备14，其具有包括加热带18a、18b的第一加热机构，其中该第一加热机构靠近两种或更多种前体粉末的第一部分12。图1A和图1B还示出了第二加热机构，其包括在两种或更多种前体粉末的第二部分13近侧的多个加热丝19a、19b。然而，应当理解加热设备14不一定限于该布置。例如，加热带18a、18b和/或加热丝19a、19b可由如本文所述的其他加热机构替换或补充。根据一些方面，加热设备14可被构造成使得两种或更多种前体粉末的第一部分12和两种或更多种前体粉末的第二部分13可独立地加热，即，使得两种或更多种前体粉末的第一部分12和两种或更多种前体粉末的第二部分13被加热到不同的温度。还应当理解，虽然图1A和图1B示出了设置在两种或更多种前体粉末的第一部分12和两种或更多种前体粉末的第二部分13的上方和下方的加热机构，但一种或多种加热机构可设置在相对于两种或更多种前体粉末的第一部分12以及两种或更多种前体粉末的第二部分13，足以提供如本文所述的一种或多种升高的温度的任何位置中。
该方法可包括将两种或更多种前体粉末的第一部分12加热至足以提供两种或更多种前体粉末的第一部分12的蒸气的第一升高的温度，如本文所述。例如，在两种或更多种前体粉末的第一部分包含硫属元素粉末的情况下，该方法可包括将硫属元素粉末加热至足以提供硫属蒸气气氛的第一温度。根据一些方面，第一温度可介于约100℃和300℃之间，并且任选地为约200℃。
根据一些方面，蒸气可在两种或更多种前体粉末的第二部分13的近侧提供。例如，如图1A和图1B所示，惰性气体流11或保湿气体流111可分别驱动蒸气，使得其提供至少部分地围绕该两种或更多种前体粉末的第二部分13的气氛。
该方法可包括在存在蒸气气氛的情况下将两种或更多种前体粉末的第二部分13加热至足以经由化学气相沉积将TMD材料的双原子层带和/或单原子层纳米带沉积到基底上的第二升高的温度。例如，如本文所述，两种或更多种前体粉末的第二部分13可包含前体粉末混合物，该前体粉末混合物包含如本文所述的金属氧化物粉末、金属粉末和盐粉末。该方法可包括在存在如本文所述的硫属元素蒸气气氛的情况下将前体粉末混合物的第二部分加热到足以蒸发前体粉末混合物的第二部分的第二升高的温度。以这种方式，可将TMD材料的双原子层带和/或单原子层纳米带沉积到设置在前体粉末混合物的第二部分近侧的基底上。根据一些方面，第二温度可介于约600℃和1000℃之间，任选地介于约700℃和900℃之间，并且任选地介于约770℃和850℃之间。
根据一些方面，可选择如本文所述的方法的一个或多个方面以提供如本文所述的双原子层带或单原子层纳米带。示例性方面包括但不限于基底与真空的表面张力比、基底与TMD材料的表面张力比、TMD材料与真空的表面张力比、以及它们的组合。除此之外或另选地，可选择基底以提供如本文所述的双原子层带或单原子层纳米带。例如，可选择氟金云母和/或高取向热解石墨(HOPG)基底以便提供单原子层纳米带，然而可选择SiO2基底以便提供双原子层带。
图2A示出了如本文所述的示例性双原子层带。如图2A所示，双原子层带可包括第一单层22，该第一单层包含如本文所述的TMD材料。双原子层带还可包括第二单层23，该第二单层包含TMD材料，其中该第二单层23定位于第一单层22的表面上。双原子层带的沉积可至少部分地由含金属的纳米颗粒21沿基底17的表面的运动201引导。根据一些方面，含金属的纳米颗粒可具有纳米级的尺寸，例如，介于约1nm和100nm之间的粒度。应当理解，含金属的纳米颗粒21可包含由如本文所述的两种或更多种前体粉末提供的一种或多种元素。例如，含金属的纳米颗粒21可包含来自金属粉末的金属、来自金属氧化物粉末的金属和/或来自硫属元素粉末的硫属元素。在一个非限制性示例中，含金属的纳米颗粒可包括Ni-Mo-S纳米颗粒或Fe-Mo-S纳米颗粒。在另一个非限制性示例中，含金属的纳米颗粒可包括Ni纳米颗粒或Fe纳米颗粒。
根据一些方面，含金属的纳米颗粒可具有特定元素比。在一个示例中，含金属的纳米颗粒可具有约0.1:1至约2:1，任选地约0.5:1至约2:1，并且任选地约0.67:1至约1.5:1的金属与硫属元素的比率。应当理解，金属与硫属元素的比率可以为来自金属粉末的金属与硫属元素的比率(例如，Ni与S的比率)、来自金属氧化物粉末的金属与硫属元素的比率(例如，Mo与S的比率)或总金属与硫属元素的比率((Ni+Mo)与S的比率)。
在另一个示例中，含金属的纳米颗粒可具有约0.1:1至约2:1，任选地约0.5:1至约1.5:1的第一金属与第二金属比率。在一个非限制性示例中，第一金属可包含来自金属粉末的金属(例如，Ni)，并且第二金属可包含来自金属氧化物粉末的金属(例如，Mo)。
在另一个示例中，含金属的纳米颗粒可仅具有来自金属粉末的金属。
如图2A所示，第一单层22可具有第一平均宽度22a，并且第二单层23可具有第二平均宽度23a。应当理解，含金属的纳米颗粒21的粒度可对应于至少第二平均宽度23a，并且具体地讲，含金属的纳米颗粒21的粒度可略大于第二平均宽度23a。应当理解，增加含金属的纳米颗粒21的粒度因此可增加第二平均宽度23a，然而减小含金属的纳米颗粒21的粒度可减小第二平均宽度23a。
根据一些方面，第一平均宽度可介于约0.1μm和约100μm之间，并且任选地介于约1μm和10μm之间。根据一些方面，第二平均宽度可介于约0.5nm和1000nm之间，并且任选地介于约5nm和100nm之间。根据一些方面，第二平均宽度可以为约10nm，任选地约20nm，任选地约30nm，任选地约40nm，任选地约50nm，任选地约60nm，任选地约70nm，任选地约80nm，任选地约90nm，并且任选地约100nm。根据一些方面，双原子层带可具有介于约1μm和1000μm之间，并且任选地介于约50μm和500μm之间的长度。
图2B示出了图2A的双原子层带的示例性剖视图，其包括基底17、第一单层22和定位于第一单层22的表面上的第二单层23。
该方法还可包括去除双原子层带的一部分以提供如本文所述的TMD材料的原子层纳米带。根据一些方面，去除双原子层带的一部分可包括氧化双原子层带的部分以提供氧化部分，并且将氧化部分与未氧化部分分离以提供TMD材料的原子层纳米带。
例如，图3A示出了如相对于图2A所述的双原子层带，包括第一单层22、第二单层23和含金属的纳米颗粒21。图3B示出了图3A中所示的示例的剖视图。如图3A和图3B所示，第一单层22包括未暴露部分32(即，第一单层22的在其上具有第二单层23的部分)和暴露部分31(即，第一单层22的在其上不具有第二单层23的部分)。根据一些方面，该方法可包括氧化由第一单层22的暴露部分31所包含的TMD材料以提供氧化部分，其中该氧化部分包含金属氧化物材料。
在一些非限制性示例中，在其中双原子层带所包含的TMD材料为MoS2或MoSe2的情况下，该方法可包括氧化暴露部分31的MoS2或MoSe2使得其转换成MoO3。在一些非限制性示例中，在其中双原子层带所包含的TMD材料为WS2或WSe2的情况下，该方法可包括氧化暴露部分31的WS2或WSe2使得其转换成WO3。应当理解，在本公开的上下文中，氧化暴露部分31可将暴露部分31转换成如本文所述的氧化部分。
根据一些方面，将双原子层带状物的一部分氧化以提供如本文所述的氧化部分可包括使双原子层带经受UV-臭氧(UVO)处理。在一些非限制性示例中，UVO处理可包括在具有UV光的UVO清洁器中提供双原子层带。在一个示例中，具有沉积在其上的双原子层带的基底(例如，通过如本文所述的CVD工艺)可在距UV光一定距离处在UVO清洁器中提供，使得向双原子层带提供足以氧化如本文所述的暴露部分的UVO强度。根据一些方面，UV光与双原子层带之间的距离可介于约0.1cm和5cm之间，并且任选地介于约0.5cm和3.2cm之间。根据一些方面，UVO处理可在介于约20℃和约200℃之间的温度下进行介于约一分钟和两小时之间的时间，并且任选地进行介于约五分钟和一小时之间的时间。根据一些方面，可选择时间以氧化暴露部分31的TMD材料的至少80％，任选地至少约85％，任选地至少约90％，任选地至少约95％，任选地至少约97％，任选地至少约98％，任选地至少约99％，并且任选地约100％。
该方法还可包括蚀刻双原子层带的氧化部分以提供TMD材料的原子层纳米带。如本文所用，术语“蚀刻”是指减材制造工艺，其中使用蚀刻剂从表面去除一种或多种物质。根据本公开的一些方面，蚀刻双原子层带的氧化部分可包括使双原子层带状物经受足以将双原子层带的氧化部分与其剩余部分(例如，未氧化部分)分离的蚀刻处理。该方法还可包括冲洗步骤以去除残余蚀刻剂。
根据一些方面，蚀刻剂可包括氢氧化物，诸如氢氧化钾(KOH)、氢氧化钠(NaOH)、或它们的组合。蚀刻剂可以溶液，例如水溶液的形式提供。根据一些方面，蚀刻剂可具有介于约0.1M和10M之间，任选地介于约0.5M和5M之间，并且任选地约1M的氢氧化物浓度。在一个非限制性示例中，蚀刻处理可包括将具有至少一个氧化部分的双原子层带浸泡在氢氧化物溶液中并持续足以去除氧化部分的时间。该时间可以为例如介于约一秒和一分钟之间，任选地介于约一秒和三十秒之间，并且任选地约十秒。在该示例中，可进行用水冲洗以去除残余蚀刻剂。
图4A示出了根据本发明方法制备的TMD材料的示例性双原子层纳米带。应当理解，图4A中所示的双原子层纳米带可对应于图3A的双原子层带，其中暴露部分31已如本文所述去除。图4B示出了图4A的TMD材料的双原子层纳米带的剖视图。应当理解，图4A和图4B中所示的示例性双原子层纳米带包括例如图3A中所示的双原子层带的第一单层22的未暴露部分32和第二单层23。
应当理解，图3-4中所示的示例不一定限制本公开。例如，如图5A所示，该方法可包括氧化第一单层22的暴露部分31所包含的TMD材料和第二单层23所包含的TMD材料两者。在该示例中，第一单层22的暴露部分31和第二单层23可统称为“暴露部分”，如本文所述。在氧化暴露部分所包含的TMD材料时，暴露部分所包含的氧化材料可统称为“氧化部分”，如本文所述。该方法可包括如本文所述去除氧化部分以提供如图5B所示的单原子层纳米带。应当理解，图5B中所示的单原子层纳米带包括如图5A所示的第一单层22的未暴露部分32。
本公开还涉及由本文所述的方法提供的双原子层带。根据一些方面，双原子层带可包括包含如本文所述的TMD材料的第一单层和包含TMD材料的第二单层，其中第二单层定位于第一单层的表面上。根据一些方面，第一单层的平均宽度可大于第二单层的平均宽度。
图12示出了如本文所述的示例性单原子层纳米带。如图12所示，单原子层纳米带120包含如本文所述的TMD材料。单原子层纳米带120的沉积可至少部分地由含金属的纳米颗粒21沿基底17的表面的运动201引导。根据一些方面，含金属的纳米颗粒21可具有纳米级的尺寸，例如，介于约1nm和100nm之间的粒度。应当理解，含金属的纳米颗粒21可包含由如本文所述的两种或更多种前体粉末提供的一种或多种元素。例如，含金属的纳米颗粒21可包含来自金属粉末的金属、来自金属氧化物粉末的金属和/或来自硫属元素粉末的硫属元素。在一个非限制性示例中，含金属的纳米颗粒可包括Ni-Mo-S纳米颗粒或Fe-Mo-S纳米颗粒。在另一个非限制性示例中，含金属的纳米颗粒可包括Ni纳米颗粒或Fe纳米颗粒。
根据一些方面，单原子层纳米带的平均宽度可以为约10nm，任选地约20nm，任选地约30nm，任选地约40nm，任选地约50nm，任选地约60nm，任选地约70nm，任选地约80nm，任选地约90nm，并且任选地约100nm。根据一些方面，单原子层纳米带可具有介于约1μm和1000μm之间，并且任选地介于约50μm和500μm之间的长度。
本公开还涉及由本文所述的方法提供的双原子层纳米带和单原子层纳米带。
虽然已经结合上述示例性方面描述了本文所述的各方面，但各种替代方案、修改形式、变型形式、改进形式和/或基本等同形式(无论已知的还是目前不可预见的)对于至少本领域普通技术人员而言可变得显而易见。因此，如上所述的示例性方面旨在是示例性的而非限制性的。在不脱离本公开的实质和范围的情况下可进行各种改变。因此，本公开旨在涵盖所有已知的或后来开发的替代方案、修改形式、变型形式、改进形式和/或基本等同形式。
因此，权利要求书不旨在限于本文所示的各方面，而应被赋予与权利要求书的语言一致的全部范围，其中除非具体地指明，以单数形式对要素的提及不旨在意指“一个和仅一个”，而是意指“一个或多个”。本领域普通技术人员已知或以后将已知的各个方面的要素的所有结构和功能等同物均明确地以引用方式并入本文，并且旨在由权利要求书涵盖。此外，本文所公开的任何内容均不旨在奉献给公众，无论在权利要求书中是否明确示出此类公开内容。除非使用短语“用于…的方式”明确示出该要素，否则任何权利要求要素均不应理解为方式加功能。
此外，词语“示例”用于本文意指“用作示例、实例或例证”。本文描述为“示例”的任何方面均不必要被理解为比他方面优选或有利。除非另外特别说明，否则术语“一些”是指一个或多个。组合诸如“A、B或C中的至少一者”、“A、B和C中的至少一者”和“A、B、C或它们的任何组合”包括A、B和/或C的任何组合，并且可包括A的倍数、B的倍数或C的倍数。具体地，组合诸如“A、B或C中的至少一者”、“A、B和C中的至少一者”和“A、B、C或它们的任何组合”可以为仅A、仅B、仅C、A和B、A和C、B和C、或A和B和C，其中任何此类组合均可包含A、B或C中的一个或多个成员。本文所公开的任何内容均不旨在奉献给公众，无论在权利要求书中是否明确示出此类公开内容。
词语“约”在本文中用于意指在所述值的±5％内，任选地在±4％内，任选地在±3％内，任选地在±2％内，任选地在±1％内，任选地在±0.5％内，任选地在±0.1％内，并且任选地在±0.01％内。
提出以下实施例以便向本领域普通技术人员提供如何制造和使用本发明的完整公开和描述，并且不旨在限制本发明人所认为的他们的发明范围，也不旨在表示以下描述的实验是全部或唯一进行的实验。已努力确保关于使用的数(例如，量、尺寸等)的准确性，但应当考虑一些实验误差和偏差。
实施例
实施例I：双原子层带的制备
双原子层MoS2带经由在配备有1”石英管的管式炉系统中进行的CVD方法合成。将生长基底(具有285nm SiO2的Si(SiO2/Si)板)通过丙酮和异丙醇(IPA)清洁，然后面向下放置在含有约1.2mg MoO2、约0.05mg NaBr和约0.1mg Ni粉末的混合物的氧化铝坩埚上方，然后将其插入石英管的中心。使含有约200mg S粉末的另一坩埚位于管的上游侧，在此处包裹加热带。首先用500sccm(标准立方厘米/分钟)氩气流吹扫反应室一小时。然后，反应在770℃下(以40℃/min的升温速率)进行三分钟，其利用总共80sccm的含有10％F惰性+水的保湿氩气流。在反应温度下，S粉末的位置处的温度为约200℃，如由加热带控制。生长后，移除加热带，并将炉自然冷却至室温。
实施例II(a)：双原子层带的扫描电子显微镜表征
图6A示出了根据实施例I制备的双原子层带的扫描电子显微镜(SEM)图像。
图6B示出了根据实施例I制备的双原子层带的另一SEM图像，其包括包含MoS2的第一单层22，包含MoS2的第二单层23、以及Ni-Mo-S纳米颗粒21。如图6B所示，第一单层22具有约1μm的宽度，并且第二单层23具有约80nm的宽度。第二单层23由Ni-Mo-S纳米颗粒21封端，该Ni-Mo-S纳米颗粒的直径与第二单层23的宽度相当。
实施例II(b)：双原子层带的原子力显微镜表征
图7A示出了根据实施例I制备的双原子层带的原子力显微镜(AFM)图像，其具有拓扑信息。图7B示出了沿图7A的虚线箭头的高度轮廓。高度轮廓确认了双原子层带包括具有约1nm的厚度的第一单层和在第一单层的表面上并具有约1nm的厚度的第二单层。
实施例III：双原子层纳米带的制备
首先将根据实施例I制备的原生双原子层MoS2带在UVO清洁器中于20℃下处理五分钟至十分钟。带和UV线之间的距离为约2cm。然后对样品进行蚀刻处理，该蚀刻处理由将样品浸泡在1M KOH水溶液中并持续十秒，并且随后用去离子水冲洗十秒组成。
实施例IV：UVO后的双原子层带的扫描电子显微镜表征
图8A和图8B示出了在如实施例III中所述的UVO处理的不同点处的双原子层带的SEM图像。
具体地讲，图8A示出了在五分钟UVO处理后的双原子层带的SEM图像。如图8A所见，双原子层带包括第一单层22和第二单层23，其各自包含MoS2。图8A还示出了第一单层22的暴露部分31被部分转换成MoO3 24(光对比度)。
图8B示出了在八分钟UVO处理后的双原子层带的SEM图像。如图8B所示，双原子层带包括第一单层22和第二单层23，其中第二单层23包含MoS2。如图8B所示，第一单层22的暴露部分31完全转化成MoO3(光对比度)。
实施例V(a)：双原子层纳米带的扫描电子显微镜表征
图9A示出了如实施例III中所述的蚀刻处理后的双原子层纳米带的SEM图像。图9A示出了Ni-Mo-S纳米颗粒21和包含MoS2的第二单层23，其设置在第一单层的未暴露部分(不可见)的表面上。
图9B示出了如实施例III中所述的蚀刻处理后的双原子层纳米带的另一SEM图像。图9B示出了Ni-Mo-S纳米颗粒21和包含MoS2的第二单层23，其设置在第一单层的未暴露部分(不可见)的表面上。双原子层纳米带具有约10nm的宽度。
图9C示出了如实施例III中所述的蚀刻处理后的双原子层纳米带的另一SEM图像。图9C示出了Ni-Mo-S纳米颗粒21和包含MoS2的第二单层23，其设置在第一单层的未暴露部分(不可见)的表面上。双原子层纳米带具有约20nm的宽度。
图9D示出了如实施例III中所述的蚀刻处理后的双原子层纳米带的另一SEM图像。图9D示出了Ni-Mo-S纳米颗粒21和包含MoS2的第二单层23，其设置在第一单层的未暴露部分(不可见)的表面上。双原子层纳米带具有约50nm的宽度。
实施例V(b)：双原子层纳米带的俄歇电子能谱表征
图10A示出了根据实施例III制备的双原子层纳米带的电子显微镜图像。如图10A所示，双原子层纳米带用含金属的纳米颗粒21封端。
图10B-10D示出了如图10A所示并且根据实施例III制备的双原子层纳米带的俄歇电子能谱谱(AES)元素分布映射。具体地讲，图10B示出了S的AES映射，图10C示出了Mo的AES映射，并且图10D示出了Ni的AES映射。从图10B-10D，确定双原子层纳米带包含Mo和S，其中Mo:S原子比为1:2，并且纳米颗粒包含Ni、Mo和S。
实施例V(c)：双原子层纳米带的原子力显微镜表征
图11A示出了根据实施例III制备的双原子层纳米带的AFM图像，其具有拓扑信息。图11B示出了沿图11A的虚线箭头的高度轮廓。高度轮廓确认纳米带是具有约2nm厚度的双层。
实施例VI：单原子层纳米带的制备
单原子层MoS2纳米带经由在配备有1”石英管的管式炉系统中进行的CVD方法合成。将生长基底、氟金云母或高取向热解石墨(HOPG)面向下放置在含有约1.2mg MoO2、约0.05mg NaBr和约0.1mg Ni粉末的混合物的氧化铝坩埚上方，然后将其插入石英管的中心。使含有约200mg S粉末的另一坩埚位于管的上游侧，在此处包裹加热带。首先用500sccm(标准立方厘米/分钟)氩气流吹扫反应室一小时。然后，反应在720℃下(以40℃/min的升温速率)进行三分钟，其利用总共80sccm的含有20％F惰性+水的保湿氩气流。在反应温度下，S粉末的位置处的温度为约200℃，如由加热带控制。生长后，移除加热带，并将炉自然冷却至室温。
图13A示出了根据实施例VI制备的在氟金云母基底上的单原子层带的SEM图像。
图13B示出了根据实施例VI制备的在氟金云母基底上的单原子层带130的另一SEM图像，其包括包含MoS2的单层和Ni纳米颗粒131。如图13B所示，单层具有约30nm的宽度。单层带130由Ni纳米颗粒131封端，该Ni纳米颗粒的直径与单层带的宽度相当。
图14A示出了根据实施例VI制备的在HOPG基底上的由Ni纳米颗粒141封端的单原子层带140的SEM图像。
图14B示出了根据实施例VI制备的在HOPG基底上的单原子层带142的另一SEM图像，其包括包含MoS2的单层和Ni纳米颗粒143。如图14B所示，单层具有约80nm的宽度。单层带142由Ni纳米颗粒143封端，该Ni纳米颗粒的直径与单层带的宽度相当。
图15A示出了根据实施例VI制备的单原子层纳米带的AFM图像，其具有拓扑信息。图15B示出了沿图15A的虚线箭头的高度轮廓。高度轮廓确认纳米带是具有约0.8nm厚度的单层。
Claims (15)
1.一种制备单原子层纳米带的方法，所述方法包括：
通过使两种或更多种前体粉末在足以经由化学气相沉积将所述单原子层纳米带沉积到基底上的温度下经受保湿气体流，在基底上形成单原子层纳米带，
其中所述单原子层纳米带包含过渡金属二硫属化物材料，
其中所述基底包括氟金云母、高取向热解石墨或它们的组合，并且
其中所述单原子层纳米带的沉积至少部分地由含金属的纳米颗粒沿所述基底的表面的运动引导，
其中所述两种或更多种前体粉末包含金属氧化物粉末和硫属元素粉末。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述两种或更多种前体粉末还包含金属粉末和盐粉末。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述金属氧化物粉末包含二氧化钼，并且所述硫属元素粉末包含硫。
4.根据权利要求2所述的方法，其中所述金属粉末包含镍、铁或它们的组合。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述保湿气体流包含介于100ppm和3000ppm之间的水分体积含量。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述保湿气体流通过使第一惰性气体流流过含有去离子水的鼓泡器以提供第一保湿惰性气体，并且将所述第一保湿惰性气体与第二惰性气体流组合来提供。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述第一惰性气体流和/或所述第二惰性气体流已被处理以减少杂质水分。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述第一惰性气体流和/或所述第二惰性气体流已使用分子筛处理。
9.根据权利要求7所述的方法，其中所述第一惰性气体流和/或所述第二惰性气体流已被处理以去除其中含有的至少95％体积的杂质水分。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述温度介于700℃和900℃之间。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述温度为720℃。
12.一种单原子层纳米带，其根据权利要求1所述的方法制备，其中所述单原子层纳米带具有介于5nm和100nm之间的平均宽度，且包含过渡金属二硫属化物材料。
13.根据权利要求12所述的单原子层纳米带，其中所述单原子层纳米带由含金属的纳米颗粒封端。
14.根据权利要求13所述的单原子层纳米带，其中所述含金属的纳米颗粒包含镍。
15.根据权利要求12所述的单原子层纳米带，其中所述过渡金属二硫属化物材料包含二硫化钼。
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Non-Patent Citations (2)
| Title |
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| Deriving MoS2 nanoribbons from their flakes by chemical vapor deposition;Chunxia Yang et al;《Nanotechnology》;第30卷(第25期);第1-7页 * |
| NaCl-assisted one-step growth of MoS2–WS2 in-plane heterostructures;Zhan Wang et al;《Nanotechnology》;第28卷(第32期);第1-10页 * |
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