本發(fā)明涉及大面積二維層狀材料的制備方法，屬于二維層狀半導(dǎo)體材料特性及制備領(lǐng)域。

二、

背景技術(shù)：

近年來(lái)，二維層狀材料因其獨(dú)特的光電性能、化學(xué)性能以及機(jī)械特性受到廣大科研愛(ài)好者的青睞。首先，二維層狀材料領(lǐng)域的發(fā)展還要得益于2004年英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫所發(fā)現(xiàn)的石墨烯。過(guò)渡金屬硫?qū)倩锏湫偷拇碛形f(MoSe₂)、硫化鉬(MoS₂)以及碲化鉬(MoTe₂)等。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以二維層狀材料制成的各種器件層出不窮。例如，利用超薄MoSe₂來(lái)構(gòu)建場(chǎng)效應(yīng)晶體管能夠?qū)崿F(xiàn)很高的柵極調(diào)控，同時(shí)有著高達(dá)10⁶的開(kāi)關(guān)比[S.Larentis,B.Fallahazad,E.Tutuc.Applied Physics Letters 2012,101.]。經(jīng)過(guò)超強(qiáng)酸處理的單層MoS₂的量子產(chǎn)率高達(dá)95％，并且具有很好的空氣穩(wěn)定性和超短的載流子壽命[Matin Amani,Der-Hsien Lien,Daisuke Kiriya,et.al.Science 2015,350,1065.]。當(dāng)前研究報(bào)道，多數(shù)二維層狀半導(dǎo)體材料的光學(xué)特性，特別是光致發(fā)光特性與材料的結(jié)構(gòu)和厚度有很大的關(guān)系，當(dāng)材料厚度減至少數(shù)幾層時(shí)才能觀察到明顯的光致發(fā)光特性，并且優(yōu)異的光致發(fā)光特性取決于材料的晶體質(zhì)量。具有優(yōu)異光致發(fā)光特性的二維半導(dǎo)體材料將在制備高性能發(fā)光二極管中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

目前，制備二維層狀材料以研究其發(fā)光特性的方法眾多。其中，最簡(jiǎn)單的方法是機(jī)械剝離的方法。這種方法能夠很簡(jiǎn)便的制備出二維層狀材料，發(fā)光特性也比較好，但是制備效率極其低下且所得材料尺寸較小。以化學(xué)氣相沉積(CVD)來(lái)合成二維層狀材料的方法操作比較簡(jiǎn)單，但合成出來(lái)的二維層狀材料尺寸較小、生長(zhǎng)過(guò)程中不易控制，同時(shí)由于反應(yīng)時(shí)的高溫還容易引入其它化學(xué)元素，導(dǎo)致其發(fā)展受到限制。因而，如何制備出高質(zhì)量、大尺寸的薄膜來(lái)實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的發(fā)光特性是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。

三、

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為避免上述二維層狀材料制備所存在的不足，本發(fā)明提供一種具有優(yōu)異光致發(fā)光特性的大面積二維層狀材料的制備方法，旨在通過(guò)脈沖激光沉積(PLD)的方法來(lái)制備二維層狀材料。

本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的，采用如下技術(shù)方案：

本發(fā)明具有優(yōu)異光致發(fā)光特性的大面積二維層狀材料的制備方法，其特點(diǎn)在于：

將清洗、干燥后的基片和過(guò)渡金屬硫族化合物的靶材放入脈沖激光沉積系統(tǒng)的腔體內(nèi)，然后將腔體抽真空至10^-5Pa以下；

加熱基片至300℃～600℃；用脈沖激光轟擊靶材，使得基片表面沉積上過(guò)渡金屬硫族化合物的薄膜；

沉積結(jié)束后，在真空條件下自然冷卻至室溫，即獲得二維層狀材料。

所述過(guò)渡金屬硫族化合物為硒化鉬MoSe₂、硫化鉬MoS₂、硒化鎢WSe₂、硫化鎢WS₂或碲化鉬MoTe₂。所述基片為單晶硅片、氧化硅片、石英玻璃、FTO玻璃、PET襯底或藍(lán)寶石。

在脈沖激光沉積系統(tǒng)的腔體內(nèi)，基片與靶材的距離為3～7cm。

所述脈沖激光的能量為20～150mJ、頻率為1～20Hz，沉積時(shí)間為10～100min。

與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在：

本發(fā)明采用PLD的方法，通過(guò)改變脈沖激光沉積系統(tǒng)的參數(shù)和沉積的時(shí)間，可以很簡(jiǎn)便的在基片上原位生長(zhǎng)出高質(zhì)量、大尺寸且具有優(yōu)異發(fā)光特性的二維層狀材料；本發(fā)明的方法重復(fù)性強(qiáng)，制備的薄膜具有單層或少層原子的材料特性。

四、附圖說(shuō)明

圖1是實(shí)施例1所制備的MoSe₂薄膜的AFM圖；

圖2是實(shí)施例1所制備的MoSe₂薄膜的XRD圖；

圖3是實(shí)施例1所制備的MoSe₂薄膜的拉曼光譜；

圖4是實(shí)施例1所制備的MoSe₂薄膜的PL光譜；

圖5是實(shí)施例2所制備的MoS₂薄膜的AFM圖；

圖6是實(shí)施例2所制備的MoS₂薄膜橫截面的SEM圖；

圖7是實(shí)施例2所制備的MoS₂薄膜的PL光譜；

圖8是實(shí)施例3所制備的MoTe₂薄膜的AFM圖；

圖9是實(shí)施例3所制備的MoTe₂薄膜的XPS圖；

圖10是實(shí)施例3所制備的MoTe₂薄膜的拉曼光譜。

五、具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

本實(shí)施例按如下步驟制備二維層狀材料MoSe₂：

將硅片依次放入丙酮、乙醇、去離子水中分別超聲清洗90秒，之后放入恒溫50℃的干燥箱中進(jìn)行干燥。

取10g MoSe₂粉末(含量≥99.9％)壓制成直徑為25.4mm的靶材。

打開(kāi)脈沖激光沉積系統(tǒng)PLD的放氣閥對(duì)腔體進(jìn)行放氣，打開(kāi)PLD艙門(mén)；將清洗、干燥后的基片連同靶材依次放進(jìn)脈沖激光沉積系統(tǒng)的腔體內(nèi)，同時(shí)控制基片與靶材的距離在5cm左右。關(guān)閉艙門(mén)與進(jìn)氣閥，依次使用機(jī)械泵和分子泵對(duì)腔體抽至真空度10^-5Pa以下。對(duì)基片進(jìn)行加熱，并控制基片的溫度在400℃。轉(zhuǎn)動(dòng)基片與靶材，打開(kāi)脈沖激光開(kāi)始鍍膜，此時(shí)脈沖激光的能量維持在100mJ、脈沖頻率為5Hz。鍍膜20分鐘結(jié)束后，關(guān)閉激光，腔體自然冷卻至室溫，然后取出樣品。

分別采用原子力顯微鏡(AFM)，X射線衍射(XRD)和拉曼光譜儀對(duì)本實(shí)施例所制備的MoSe₂薄膜材料進(jìn)行表征，結(jié)果分別見(jiàn)圖1、圖2和圖3。利用PL光致發(fā)光測(cè)試系統(tǒng)對(duì)材料的光致發(fā)光特性進(jìn)行研究，結(jié)果見(jiàn)圖4。

如圖1所示，本實(shí)施例制備的MoSe₂薄膜雖然比較厚，但其表面仍具有單層的MoSe₂材料。如圖2所示，本實(shí)施例制備的MoSe₂薄膜具有取向性(沿著0111的方向生長(zhǎng))。如圖3所示的拉曼數(shù)據(jù)進(jìn)一步證實(shí)了本實(shí)施例生長(zhǎng)出來(lái)的二維層狀材料具有單層的性質(zhì)。

圖4的數(shù)據(jù)表明本實(shí)施例所制備的MoSe₂薄膜在光的照射下能夠很好的發(fā)射出激光(即光致發(fā)光)，其半峰寬不足10nm。當(dāng)光所照射的位置不同，所產(chǎn)生激光的峰位也不相同，圖4的左圖和右圖分別對(duì)應(yīng)著多層與單層的MoSe₂薄膜。

實(shí)施例2

本實(shí)施例按實(shí)施例1中相同的步驟制備二維層狀材料MoS₂，區(qū)別僅在于：所用基片為石英玻璃，所壓制的靶材為MoS₂材料；鍍膜時(shí)，基片加熱至300℃，脈沖激光頻率為3Hz，鍍膜時(shí)間為30分鐘。

分別使用AFM、掃描電子顯微鏡(SEM)、PL光致發(fā)光測(cè)試系統(tǒng)對(duì)本實(shí)施例所制備的MoS₂薄膜材料進(jìn)行形貌表征、截面觀察、光致發(fā)光特性研究，結(jié)果分別如圖5、圖6、圖7所示。

圖5表明本實(shí)施例生長(zhǎng)出來(lái)的MoS₂表面具有三角形狀的單層及多層薄膜。圖6表明本實(shí)施例生長(zhǎng)的薄膜厚度為100納米左右。

如圖7所示，使用514nm的激光對(duì)本實(shí)施例的薄膜進(jìn)行照射，MoS₂材料產(chǎn)生了發(fā)光光譜。

實(shí)施例3

本實(shí)施例按實(shí)施例1中相同的步驟制備二維層狀材料MoTe₂，區(qū)別僅在于：所壓制的靶材為MoTe₂材料；鍍膜時(shí)脈沖激光的能量為24mJ、頻率為10Hz，鍍膜時(shí)間為45分鐘。

分別使用AFM，X射線光電子能譜分析(XPS)和拉曼光譜儀進(jìn)行表征對(duì)本實(shí)施例所制備的MoTe₂薄膜材料進(jìn)行表征，結(jié)果分別如圖8、圖9、圖10所示。

如圖8所示，MoTe₂薄膜表面未見(jiàn)三角形結(jié)構(gòu)，根據(jù)剖面線分析，表面薄膜厚度為幾個(gè)原子層。由于材料比較薄，圖9中Te和Mo的XPS圖譜進(jìn)一步證實(shí)了這種材料的存在。圖10的拉曼光譜圖表明制備的MoTe₂薄膜具有少數(shù)原子層的特性，且具有很好的結(jié)晶性。