过渡金属硫族化合物掺杂异质结及其制备方法和应用

本发明属于二维材料，具体来说涉及一种过渡金属硫族化合物掺杂异质结及其制备方法和应用。

背景技术：

1、过渡金属硫族化合物(transition metal dichalcogenides,tmds)由于其超高载流子迁移率、强自旋轨道耦合效应和与层数相关的可调谐带隙，越来越多地在现代电子产品中发挥重要的作用。除了通过调节层数来调节其带隙外，采用化学方法(如蚀刻或掺杂)来调整其固有的电子能带结构，也一直备受关注，有望促进更加广泛和复杂的应用。

2、取代掺杂是一种应用最广泛的调整电子结构的化学策略，近年来在硅器件的制造上已得到了广泛的应用，通过取代掺杂来改变tmds的电学或光电特性的研究更是得到了深入研究。然而，取代掺杂硫族元素带来的物性改变是有限的，主要归结于元素s、se和te本征的化学相似性。人们进一步采用取代掺杂金属元素的方法来改变tmds的物性，并且得到了不错的成效，例如显著提高电子密度、发生相转变等等。

3、另外一种有效的改变tmds物性的化学策略就是形成异质结，无论是形成垂直异质结还是平面异质结，都被证明可以显著改变tmds的光电属性，例如提升迁移率、引入整流特性、扩展吸收范围等等。然而，目前形成异质结的材料来源较少，仅限于广泛报道的几种tmds材料。因此，进一步猜想，如果能将纯材料和掺杂材料形成异质结可以极大地扩展组成异质结的材料来源，为改变tmds的光电特性开辟一条新的途径。

4、遗憾的是，传统的化学气相沉积(chemical vapor deposition,cvd)通常只能完成一种功能:掺杂或形成异质结。实现纯材料和掺杂材料的堆叠面临着无数的问题，其中最重要的是不同层之间不可避免的交叉污染问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种过渡金属硫族化合物掺杂异质结。

2、本发明的另一目的是提供上述过渡金属硫族化合物掺杂异质结的制备方法，该制备方法利用cvd可控制备纯材料和掺杂材料的异质结，以二硫化钼(mos2)和二硫化钨(ws2)为对象，在cvd生长材料的过程中通过调控基底的状态，来实现选择性掺杂第n层材料的目的，n大于1，从而实现纯材料和掺杂材料异质结的制备。并且通过调控前驱体的比例，即氧化钨和氧化钼的量，来实现w-doped mos2/mos2和mo-doped ws2/ws2两种不同异质结的制备。

3、本发明的另一目的是提供上述过渡金属硫族化合物掺杂异质结在整流器/场效应晶体管中的应用。

4、本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的。

5、一种过渡金属硫族化合物掺杂异质结，为垂直的多层异质结，其为w-doped mos2/mos2或mo-doped ws2/ws2，其中，w-doped mos2/mos2包括：首层的mos2和覆盖在首层上的一层或多层w掺杂的mos2，mo-doped ws2/ws2包括：首层的ws2和覆盖在首层上的一层或多层mo掺杂的ws2。

6、上述过渡金属硫族化合物掺杂异质结的制备方法，包括以下步骤：

7、1)将添加剂和前驱体混合均匀，得到前驱体混合物，其中，按质量份数计，所述添加剂和前驱体的比为1：(5～10)，所述添加剂为氯盐，所述前驱体为moo3和wo3的混合物，按质量份数计，moo3和wo3的比为1：(1～10)；

8、在所述步骤1)中，所述氯盐为氯化钠或氯化钾。

9、在所述步骤1中，按质量份数计，当moo3和wo3的比为1：(1～4)时，得到的过渡金属硫族化合物掺杂异质结为w-doped mos2/mos2；moo3和wo3的比为1：(5～10)时，得到的过渡金属硫族化合物掺杂异质结为mo-doped ws2/ws2。

10、2)将前驱体混合物、基底和过量的纯硫放入密封的加热管，采用cvd方法进行沉积，在基底上得到过渡金属硫族化合物掺杂异质结，其中，所述基底在放入密封的加热管前进行氧等离子体清洗。

11、在所述步骤2)中，氧等离子体清洗的功率为60～100w，氧等离子体清洗的时间为5～10min。

12、在所述步骤2)中，放入密封的加热管后，所述基底氧等离子体清洗的一面朝下，所述前驱体混合物位于加热管中的加热中心且位于所述基底的正下方，向加热管内通入氮气或惰性气体，所述纯硫位于所述前驱体混合物的气流上游，所述加热中心升温至750～900℃后保持2～10min，降至室温，沉积结束。

13、在上述技术方案中，所述加热中心升温至750～900℃的时间为30～45min。

14、在上述技术方案中，所述加热中心升温至750～900℃的过程中气流为30～60sccm。

15、在上述技术方案中，当升温至750～900℃后，气流调整至15～30sccm。

16、上述过渡金属硫族化合物掺杂异质结在整流器/场效应晶体管中的应用。

17、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

18、1.本发明提出的制备方法高效便捷，装置简单，无需对传统cvd系统进行升级和改造，只需要在cvd进行之前，对基底的表面状态进行修饰。

19、2.本发明提出的制备方法具有选择性，可以通过调控前驱体中moo3和wo3的比例，可以决定哪种元素为主元素，哪种元素为掺杂元素，选择性制备不同的异质结，如w-dopedmos2/mos2异质结、mo-doped ws2/ws2异质结和w-doped mos2/w-doped mos2双层结构等等，并且通过调节前驱体比例为新型异质结的构成储备相当丰富的材料库。

技术特征：

1.一种过渡金属硫族化合物掺杂异质结，为垂直的多层异质结，其特征在于，其为w-doped mos2/mos2或mo-doped ws2/ws2，其中，w-doped mos2/mos2包括：首层的mos2和覆盖在首层上的一层或多层w掺杂的mos2，mo-doped ws2/ws2包括：首层的ws2和覆盖在首层上的一层或多层mo掺杂的ws2。

2.根据权利要求1所述的过渡金属硫族化合物掺杂异质结的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤1)中，所述氯盐为氯化钠或氯化钾。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤1)中，按质量份数计，当moo3和wo3的比为1：(1～4)时，得到的过渡金属硫族化合物掺杂异质结为w-doped mos2/mos2；moo3和wo3的比为1：(5～10)时，得到的过渡金属硫族化合物掺杂异质结为mo-dopedws2/ws2。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤2)中，氧等离子体清洗的功率为60～100w，氧等离子体清洗的时间为5～10min。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤2)中，放入密封的加热管后，所述基底氧等离子体清洗的一面朝下，所述前驱体混合物位于加热管中的加热中心且位于所述基底的正下方，向加热管内通入氮气或惰性气体，所述纯硫位于所述前驱体混合物的气流上游，所述加热中心升温至750～900℃后保持2～10min，降至室温，沉积结束。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述加热中心升温至750～900℃的时间为30～45min。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述加热中心升温至750～900℃的过程中气流为30～60sccm。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，当升温至750～900℃后，气流调整至15～30sccm。

10.如权利要求1所述过渡金属硫族化合物掺杂异质结或权利要求2～9中任意一项所述制备方法获得的过渡金属硫族化合物掺杂异质结在整流器/场效应晶体管中的应用。

技术总结
本发明公开了一种过渡金属硫族化合物掺杂异质结及其制备方法和应用，过渡金属硫族化合物掺杂异质结为垂直的多层异质结，其为W‑doped MoS<subgt;2</subgt;/MoS<subgt;2</subgt;或Mo‑doped WS<subgt;2</subgt;/WS<subgt;2</subgt;，其中，W‑doped MoS<subgt;2</subgt;/MoS<subgt;2</subgt;包括：首层的MoS<subgt;2</subgt;和覆盖在首层上的一层或多层W掺杂的MoS<subgt;2</subgt;，Mo‑doped WS<subgt;2</subgt;/WS<subgt;2</subgt;包括：首层的WS<subgt;2</subgt;和覆盖在首层上的一层或多层Mo掺杂的WS<subgt;2</subgt;。本发明提出的制备方法具有选择性，可以通过调控前驱体中MoO<subgt;3</subgt;和WO<subgt;3</subgt;的比例，选择性制备W‑doped MoS<subgt;2</subgt;/MoS<subgt;2</subgt;异质结或Mo‑doped WS<subgt;2</subgt;/WS<subgt;2</subgt;异质结，过渡金属硫族化合物掺杂异质结在整流器/场效应晶体管中可以有较好的性能。

技术研发人员：胡文平,张晴,耿德超,段树铭
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15