本发明属于范德华异质结制备领域,具体涉及过渡金属硫族化合物垂直范德华异质结的制备领域。
背景技术:
0、技术背景
1、二维(2d)过渡金属硫族化合物(tmd)垂直异质结构因其不受限的晶格匹配,在基础研究和电子、光电子等领域的应用中引起了广泛关注。然而,目前对2d tmd垂直异质结构的研究主要局限于机械剥离和重新堆叠的方法,这限制了其产量和可扩展性。为了推动该领域的发展并实现可扩展的器件集成,人们已经付出了大量努力来开发用于可扩展合成2dtmd垂直异质结构的策略。化学气相沉积(cvd)方法提供了一种更加可扩展和可控的方法来生产高质量、大面积的2d tmd垂直异质结构。
2、然而,cvd的合成方法通常涉及复杂的生长过程,包括气流、生长温度、压力和前驱体等多种因素。所有这些因素都会影响最终的结构,而通过cvd过程合成的大多数异质结构都存在热降解、生长方向不受控制和材料组合有限等问题,这使得合成大规模、高质量的垂直异质结构仍然是一个重大挑战。在cvd过程中实现高质量横向和垂直异质结的选择性生长仍然是一个难题,原因在于难以控制成核位点,这可能导致生长不均匀、缺陷和界面不平整。不同生长速率、界面能失配、前驱体反应性变化以及工艺参数的复杂性等因素也加剧了这一挑战。
技术实现思路
1、针对现有技术难于形成tmd垂直范德华异质结的问题,本发明第一目的在于,提供一种通用的tmd垂直范德华异质结的制备方法,旨在制备得到tmd垂直范德华异质结。
2、本发明第二目的在于,提供所述的制备方法制得的tmd垂直范德华异质结及其在电学器件制备中的应用。
3、本发明第三目的在于,提供包含所述tmd垂直范德华异质结的电学器件。
4、tmd半导体材料垂直范德华异质结难以通过化学气相沉积生长,主要是因为tmd半导体材料独特的物理和化学性质、生长条件的复杂性、界面质量的挑战以及化学气相沉积制备工艺的局限性共同作用,导致难以同时满足不同材料生长的需求,并且难以在界面处形成稳定、高质量的异质结。由于mx2(m=w或mo,x=s或se)失配的差异,传统生长方法生长的异质结多为横向异质结。针对tmd半导体材料难于制备的问题,本发明经过深入研究,提供了如下解决方案:
5、tmd垂直范德华异质结的制备方法,将mx2在铵盐辅助下在二维ny2的表面物理气相沉积,制得mx2/ny2垂直范德华异质结;
6、所述的mx2、ny2为不同种类的tmd。
7、针对tmd物化性质所致的难于形成垂直范德华异质结的问题,本发明创新地将mx2在铵盐辅助下物理气相沉积在ny2上,如此能够意外地诱导mx2在ny2上形成垂直范德华异质结。
8、本发明中,所述的mx2、ny2可以是任意的理论上能够形成异质结的不同类型的tmd,例如,所述的mx2、ny2独自为ws2、wse2、mos2、mose2中的至少一种;且二者选自不同材料。
9、本发明中,二维ny2为无悬挂表面,其可以基于常规的cvd或者pvd的方法得到。
10、本发明创新地发现,利用简单物理气相沉积(pvd)方法,配合铵盐辅助,可首次得到2d tmd垂直范德华异质结。本发明研究表明,通过铵盐的引入可生成一系列活性中间体,这些活性中间体在tmd材料表面具有较低的吸附能,会优先在tmd基底表面成核,从而促进垂直tmd垂直范德华异质结的生长。
11、本发明中,所述的铵盐包括有机铵盐、无机铵盐中的至少一种;进一步为氯化铵。
12、本发明中,所述的铵盐、mx2的重量比为0.05~1;进一步为0.1~0.5:1,进一步为0.1~0.2:1。研究表明,在所述的重量比下,有助于进一步改善垂直范德华异质结的选择性。
13、本发明中,可将mx2、铵盐挥发并在载气携带下在二维ny2的表面物理气相沉积,制得所述的mx2/ny2垂直范德华异质结。
14、本发明中,mx2的挥发温度为1000~1200℃;
15、本发明中,铵盐的挥发温度为80~180℃,进一步可以为110~150℃。
16、本发明中,载气为保护性气氛,优选为ar;
17、本发明中,载气的流量为50~200sccm,进一步可以为60~100sccm。
18、本发明研究还表明,在所述的铵盐辅助pvd的创新下,进一步对沉积温度以及时间做优化,有助于在得到垂直异质结的前提下,还利于调控mx2的厚度以及形态,有助于得到原子级薄的mx2。
19、本发明中,物理气相沉积阶段的沉积温度为650~850℃,优选为700~800℃;
20、本发明中,物理气相沉积阶段的沉积时间为5~25min,进一步为8~16min。
21、本发明还提供了所述的tmd垂直范德华异质结。
22、本发明还提供了所述的tmd垂直范德华异质结的应用,将其用于制备光和/或电学器件。
23、本发明中,可基于已知的工艺和手段,将本发明所述的tmd垂直范德华异质结制得需要的器件,例如可以制得光学器件、电学器件等。
24、例如,本发明提供了一种可选的电学器件,其制备步骤在于:
25、在tmd垂直范德华异质结表面上用电子束曝光标记样品,随后再在其表面沉积金属,得到场效应晶体管;
26、本发明中,通过真空镀膜机在tmd垂直范德华异质结的表面上沉积金属;
27、本发明中,所述的金属为in和au。
28、本发明还提供了一种光电学器件,包含所述的tmd垂直范德华异质结,或者通过所述的tmd垂直范德华异质结制得。
29、有益效果
30、1、本发明研究表明,在铵盐辅助下可基于pvd方法在tmd二维材料表面生长垂直范德华异质结。
31、2、本发明通过铵盐辅助常压化学气相沉积在优选的生长温度,载气流量的协同下和非悬挂键的基底(ny2)的二维材料平面尺寸大小及表面厚度均匀,可制得形貌均一、厚度可控、结晶性好的垂直范德华异质结。
32、3、本发明所制备一系列tmd垂直范德华异质结,形貌良好、规则的六边形或三角形,结晶度好,质量高。例如,运用该方法能制备出wse2/ws2 pn结场效应晶体管可用于光电探测器。本发明制备得到超薄,特别是原子级厚度tmd的生长,这对于2d限制的这类新材料的基础研究和潜在技术应用至关重要,本发明制备过程中无复杂操作步骤和价格昂贵原料的使用,设备简单,且操作简单易行,重现性好。
33、4、本发明通过简单的常压化学气相沉积方法在无悬挂键的tmd基底上外延长得到了不同类型的垂直范德华异质结,为单晶,质量高,且厚度可控,重现性好,该制备方法简单可行,为其他二维半导体材料范德华异的制备提供了参考。
1.tmd垂直范德华异质结的制备方法,其特征在于,mx2在铵盐辅助下在二维ny2的表面物理气相沉积,制得mx2/ny2垂直范德华异质结;
2.如权利要求1所述的tmd垂直范德华异质结的制备方法,其特征在于,所述的mx2、ny2独自为ws2、wse2、mos2、mose2中的至少一种;且二者选自不同材料。
3.如权利要求1所述的tmd垂直范德华异质结的制备方法,其特征在于,所述的铵盐包括无机铵盐中的至少一种;进一步为氯化铵。
4.如权利要求1所述的tmd垂直范德华异质结的制备方法,其特征在于,所述的铵盐、mx2的重量比为0.05~1;进一步为0.1~0.5:1。
5.如权利要求1~4任一项所述的tmd垂直范德华异质结的制备方法,其特征在于,将mx2、铵盐挥发并在载气携带下在二维ny2的表面物理气相沉积,制得所述的mx2/ny2垂直范德华异质结。
6.如权利要求5所述的tmd垂直范德华异质结的制备方法,其特征在于,mx2的挥发温度为1000~1200℃;
7.如权利要求6所述的tmd垂直范德华异质结的制备方法,其特征在于,载气为保护性气氛,优选为ar;
8.一种权利要求1~7任一项所述的tmd垂直范德华异质结。
9.一种权利要求1~7任一项所述的tmd垂直范德华异质结的应用,其特征在于,将其用于制备光和/或电学器件;
10.一种光电学器件,其特征在于,包含权利要求1~7任一项所述的tmd垂直范德华异质结,或者通过所述的tmd垂直范德华异质结制得。