本發(fā)明屬于納米材料的制備領(lǐng)域，通過氧等離子的高活性來對二維層狀納米材料的表面進行氧化處理，是對納米材料逐層刻蝕氧化的過程。

背景技術(shù)：

現(xiàn)如今二維層狀納米材料因其獨特的物理、化學性質(zhì)引發(fā)了國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注，其尺寸微小，性能廣泛，在光電器件、能源存儲以及生物傳感等各個領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。因二維層狀納米材料的物理、化學及電學性質(zhì)與其層厚具有極大的相關(guān)性，但目前的制備方法有著較大的局限性，不能可控地獲得我們需要的層厚，但很多應(yīng)用領(lǐng)域所需的二維層狀納米材料都是基于特定的層厚的，例如在光電探測領(lǐng)域，單層的二維層狀納米材料，具有直接帶隙，響應(yīng)度最好；對于場效應(yīng)晶體管來說，遷移率是一個非常重要的指標，但單層的二維層狀納米材料反而不如多層的遷移率高。

所以，發(fā)明一種便捷的、迅速的逐層均質(zhì)調(diào)節(jié)二維材料帶隙的方法是非常有必要的。

以二硫化鉬為例，對于塊狀二硫化鉬，它是一種間接半導體材料，帶隙大約是0.2eV，隨著層厚的減少，二硫化鉬的帶隙也在逐漸的發(fā)生遷移，直到單層時，二硫化鉬的帶隙會變成直接帶隙，大約是1.8eV，對于二硫化鉬層厚的變化是可以通過常規(guī)拉曼，光致發(fā)光光譜以及光學襯度差來表征。能夠逐層的調(diào)節(jié)二硫化鉬的性質(zhì)，對于二硫化鉬的廣泛應(yīng)用是非常重要的，尤其是在光探測方面，直接帶隙相當于間接帶隙，在由導帶向價帶進行遷移的過程中，不需要聲子的幫助者，也就是沒有能量損耗，且直接帶隙擁有更長的電子-空穴復合壽命，發(fā)光效率極高，極其適合應(yīng)用在光電器件上，所以此種方法是一種可以逐層調(diào)節(jié)帶隙，是一種具有極其重要意義的方法。

目前，二維材料的帶隙調(diào)節(jié)可采用摻雜、外加電場等方式進行。專利201610394652.7，名稱為一種基于氧原子摻雜可控調(diào)節(jié)石墨烯帶隙的方法，公開了如下步驟：步驟1、對碳化硅表面進行預處理，將預處理好的碳化硅放入樣品盒內(nèi)；步驟2、在外延生長石墨烯之前，利用氫氣對步驟1中預處理好的碳化硅表面進行刻蝕；步驟3、外延生長制備石墨烯：在惰性氣體存在的條件下，將步驟2中刻蝕好的碳化硅進行退火處理，得到單層石墨烯；步驟4、將步驟3得到的單層石墨烯置于真空條件下，然后通入純度為99.5～99.9％的氧氣，在金屬鎢絲的加熱條件下，氧氣分子被裂解為氧原子，將裂解的氧原子通入到單層石墨烯樣品中，控制氧原子在石墨烯表面的暴露量，實現(xiàn)氧原子摻雜可控調(diào)節(jié)石墨烯帶隙。通過上述步驟，可以實現(xiàn)對石墨烯0～0.5eV帶隙的可控調(diào)節(jié)。

上述專利公開的技術(shù)方案，是為了打開石墨烯的零帶隙，讓其具有半導體性質(zhì)使其具有更廣闊的應(yīng)用前景，但是該方法工藝十分復雜，多次預處理基體，耗時長，且是對單層石墨烯進行氧原子的暴露處理，會破壞其原本晶格，降低石墨烯本身性質(zhì)，本專利申請的技術(shù)方案所列方法是一種十分簡單迅速的，可以直接對不同層厚的二維納米薄片進行調(diào)節(jié)帶隙的方法，處理后，并不影響其本身性質(zhì)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了實現(xiàn)對二維層狀材料的帶隙調(diào)節(jié)，本發(fā)明提供了一種逐層調(diào)節(jié)二維材料帶隙的方法，此方法實施便捷、工藝穩(wěn)定、效果顯著，適合用于大多數(shù)二維層狀納米材料。

本發(fā)明的技術(shù)方案基于二維層狀納米材料的性質(zhì)是層厚來控制的機理，其帶隙變化亦是隨著層厚而變化，本發(fā)明專利主要是采用氧氣等離子體的方法來進行氧化和刻蝕，由于二維材料是層狀材料，層與層之間是利用范德華-瓦爾茲力進行連接的，以二硫化鉬為例子，此方法利用氧氣等離子的高活性，來破壞二硫化鉬的層間作用力，利用氧氣在等離子態(tài)的高氧化性和活性，對二硫化鉬的最表層首先進行氧化，然后刻蝕。此時，二硫化鉬的表層被氧化刻蝕，表層晶體結(jié)構(gòu)已經(jīng)被破壞，僅僅剩余余下的晶體結(jié)構(gòu)，此時可以通過光學襯度差，常規(guī)拉曼圖譜，光致發(fā)光光譜來表征。光學襯度差現(xiàn)在已經(jīng)是一種可以十分良好的應(yīng)用在鑒別二硫化鉬的厚度上的方法，此方法已經(jīng)被文獻報道。常規(guī)拉曼圖譜，對于二硫化鉬來說，二硫化鉬的兩個特征峰，E¹_2g,A¹_g在三層時，特征峰差值大約是23cm^-1，兩層的特征峰差值大約是21cm^-1，一層的特征峰差值大約是19cm^-1。對于光致發(fā)光光譜，由于由塊狀向單層變化時，能量損失會越來越小，所以發(fā)光強度會越來越高，直到單層時會變的最高。隨后，會被完全破壞晶格，光學襯度差，常規(guī)拉曼，光致發(fā)光光譜均會完全消失。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案：

一種逐層調(diào)節(jié)二維材料帶隙的方法，包括以下步驟：1)將基底進行預處理，使其成為富含羥基的清潔基底材料；本技術(shù)方案的樣品基底的要求性能較為穩(wěn)定材料，如硅、二氧化硅等基體；樣品基底平面尺寸為1mm×1mm～20mm×20mm，厚度為100μm～10mm；獲取富含羥基的清潔的基底材料可由氧等離子清洗機處理，或用強氧化劑，優(yōu)選的如：濃硫酸、雙氧水等清洗基底表面。

2)獲取目標二維材料樣品，置于普通基底上；本技術(shù)方案中獲取目標二維材料樣品的方法包括機械剝離、化學氧化還原及化學氣相沉積等方法，各種獲取目標二維材料的方法均可以；并且基底上的二維目標材料對其進行光學襯度差，常規(guī)拉曼，光致發(fā)光光譜表征。

3)將所述二維材料樣品連同基底置于等離子清洗機機腔內(nèi)；

4)通入一定容量的氣體，使目標二維材料處于氧氣氣體氛圍中；

5)選擇等離子清洗機的工作功率；

6)選擇等離子清洗機的工作時間；

7)關(guān)閉等離子清洗機，在某種保護氣的氛圍下取出目標二維材料樣品。

8)取出樣品之后，在對其進行光學襯度，常規(guī)拉曼，光致發(fā)光光譜表征。

9)進行步驟8)表征之后，重復以上步驟4)至8)操作，即可逐層的對二維材料的帶隙進行調(diào)節(jié)。

優(yōu)選的本發(fā)明中步驟3)中二維材料樣品連同基底在等離子清洗機機腔中的距等離子發(fā)射中心的距離為5～500mm。

優(yōu)選的，本發(fā)明中步驟4)中通入的氣體為氧氣和氬氣等，氣體通入速率為5～40sccm。

優(yōu)選的，本發(fā)明中步驟5)中等離子清洗機的工作功率為5～50W。

優(yōu)選的，本發(fā)明中步驟6)中等離子清洗機的工作時間為5～400s。

優(yōu)選的，本發(fā)明中步驟7)中保護氣的選擇為氮氣等性質(zhì)穩(wěn)定的氣體。

本發(fā)明的有益效果：利用氧氣等離子體處理方法調(diào)節(jié)帶隙，相對其他例如原子層沉積，液態(tài)離子插層等方法要更為簡單，迅速，且對樣品的晶格保護更好；該方法對于二維材料的帶隙具有較為均質(zhì)的逐層調(diào)節(jié)的功能，并且實施方法非常簡捷、快速，適用于大多數(shù)二維材料的帶隙調(diào)節(jié)，可用于大規(guī)模生產(chǎn)。

附圖說明

圖1為機械剝離法制備的二硒化鎢樣品的光學圖片；

圖2為機械剝離法制備的二硫化鉬樣品的光學圖片；

圖3是經(jīng)過氧等離子調(diào)節(jié)后的二硒化鎢樣品的光學圖片；，

圖4是經(jīng)過氧等離子調(diào)節(jié)后的二硫化鉬樣品的光學圖片；

圖5是二硒化鎢樣品的拉曼光譜表征；

圖6是二硫化鉬拉曼光譜表征。

具體實施方式

以一個實施例結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的說明，其用于解釋權(quán)利要求并不構(gòu)成對權(quán)利要求的限制，

具體實施例1

對二硒化鎢帶隙逐層調(diào)節(jié)的具體步驟如下：

1)選用平面尺寸為12mm×12mm，SiO₂厚度為300nm的SiO₂/Si作為基底，用氧等離子清洗機將SiO₂/Si基底處理干凈；

2)用膠帶機械剝離法在干凈的SiO₂/Si基底上制備二硒化鎢樣品；并對二硒化鎢進行進行光學襯度差，常規(guī)拉曼，光致發(fā)光光譜表征，如圖1所示進行帶隙調(diào)節(jié)前的二硒化鎢的樣品1,2,3層的樣品的光學圖片。

3)將所述二硒化鎢樣品連同SiO₂/Si基底置于等離子清洗機機腔內(nèi)，樣品與等離子發(fā)射中心的距離為12cm；

4)通入氧氣，通氣速率為30sccm，讓二硒化鎢樣品充分處于氧氣氛圍中；

5)將等離子清洗機的工作功率設(shè)為30W；

6)經(jīng)過60s之后關(guān)閉等離子清洗機的發(fā)射中心。

7)關(guān)閉等離子清洗機，在氮氣的氛圍下取出二硒化鎢樣品；并對帶隙調(diào)整過的二硒化鎢進行進行光學襯度差，常規(guī)拉曼，光致發(fā)光光譜表征，如圖3所示進行帶隙調(diào)節(jié)后的二硒化鎢的樣品0，1，2層的樣品的光學圖片。

8)根據(jù)樣品本身不同，樣品厚度不同，采用不同的處理時間，得到需要的厚度，亦是相對應(yīng)的帶隙，即可逐層調(diào)節(jié)帶隙變化。如圖5所示是二硒化鎢的拉曼圖譜，可以發(fā)現(xiàn)多層的二硒化鎢特征峰在308cm^-1消失了在經(jīng)過氧氣等離子處理之后。

具體實施例2

對二硫化鉬帶隙逐層調(diào)節(jié)的具體步驟如下：

1)選用平面尺寸為12mm×12mm，SiO₂厚度為300nm的SiO₂/Si作為基底，用氧等離子清洗機將SiO₂/Si基底處理干凈；

2)用膠帶機械剝離法在干凈的SiO₂/Si基底上制備二硫化鉬樣品；并對二硒化鎢進行進行光學襯度差，常規(guī)拉曼，光致發(fā)光光譜表征，如圖2所示進行帶隙調(diào)節(jié)前的二硒化鎢的樣品2,3,4層的樣品的光學圖片。

3)將所述二硒化鎢樣品連同SiO₂/Si基底置于等離子清洗機機腔內(nèi)，樣品與等離子發(fā)射中心的距離為15cm；

4)通入氧氣，通氣速率為40sccm，讓二硒化鎢樣品充分處于氧氣氛圍中；

5)將等離子清洗機的工作功率設(shè)為40W；

6)經(jīng)過80s之后關(guān)閉等離子清洗機的發(fā)射中心。

7)關(guān)閉等離子清洗機，在氮氣的氛圍下取出二硒化鎢樣品；并對帶隙調(diào)整過的二硒化鎢進行進行光學襯度差，常規(guī)拉曼，光致發(fā)光光譜表征，如圖4所示進行帶隙調(diào)節(jié)后的二硒化鎢的樣品1，2，3層的樣品的光學圖片。

8)根據(jù)樣品本身不同，樣品厚度不同，采用不同的處理時間，得到需要的厚度，亦是相對應(yīng)的帶隙，即可逐層調(diào)節(jié)帶隙變化。如圖6所示是二硫化鉬的拉曼圖譜，可以發(fā)現(xiàn)雙層的特征峰間距差大約是為21cm^-1，經(jīng)過氧氣等離子處理后特征峰間距差變成了大約是19cm^-1，也就是說變成了單層的信號，表現(xiàn)出單層的性質(zhì)。

以上示意性地對本發(fā)明的創(chuàng)造及其實施方式進行了描述，本發(fā)明的保護范圍包括但不限于上述的描述。附圖中所示的也只是本發(fā)明創(chuàng)造的實施方式之一，實際的結(jié)構(gòu)并不局限于此。所以，如果本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員受到本實用新的啟示，在不脫離本發(fā)明的創(chuàng)造宗旨的情況下，不經(jīng)創(chuàng)造性的設(shè)計出與本發(fā)明的技術(shù)方案相似的結(jié)構(gòu)方式及實施例，均應(yīng)屬于本專利的保護范圍。