一種二維材料橫向異質結、製備及其應用的製作方法
2023-09-21 18:20:50 1
本發明屬於納米材料領域，涉及二維材料橫向異質結及其超晶格的製備方法。
技術背景
二維材料領域最先由2004年石墨烯的發現而引發研究熱潮，但是由於石墨烯特殊的零帶隙能帶結構，使其在電子和光電子領域受到了極大限制，例如石墨烯場效應管開關比非常小，使其在邏輯電路中的使用受限。而b.radisavljevic等人採用單層mos2製備的場效應電晶體開關比高達到108，極具應用前景，以單層mos2為代表的新型二維材料引發了極大關注[1]。
tmds等層狀材料與石墨一樣具有同樣的層狀結構特徵，層內原子以強的共價鍵或者離子鍵結合，層間以弱的範德華力結合，層狀材料的結構特徵使得單個原子層或者少數原子層可能單獨存在，這些以2d-tmds為代表的新二維材料一般具有依賴於材料層數的電子和光電子性質。要充分實現這些層狀半導體材料在電子和光電子領域的應用，需要精確這些二維原子晶體的化學成分、結構、和電子性質的空間分布，這與矽為代表的傳統半導體材料在傳統電子領域中是類似的。在傳統電子工業中異質結，定義了現代電子和光電子器件的基本結構，如p-n結二極體，光伏器件，光電檢測器，發光二級管，雷射二極體等，2d-tmds等二維材料橫向異質結的製備對於相關二維材料在電子領域中成功應用，並發揮它們的優勢是至關重要的[2]。二維層狀材料異質結作為原子級薄的半導體異質結，具有諸多重大的科學意義以及應用價值，極具研究前景。
目前對於二維材料垂直向異質結的性質進行了較為廣泛的研究，然而對於橫向異質結的研究由於工藝條件苛刻，致使研究進展緩慢[2，4，5]。當前已經有多種二維橫向異質結被製備，主要包括石墨烯-氮化硼橫向異質結、tmdcs系列的橫向異質結等，二維橫向異質結的製備方法包括分步合成，和一次性合成以及原位改變氣相反應物的技術等，但是由於合成過程中生長氣壓、溫度、生長時間等需要嚴格控制，往往會出現高摻雜、界面不平整，出現較寬的合金區域、製備效率低下等問題，造成目前二維材料橫向異質結製備難度很大[3]。目前多橫向異質結的製備並沒有實現，而二維材料超晶格結構主要採用刻蝕工藝輔助加工，加工難度大，且經加工再生長的異質結構較難保持其潔淨程度。因此，該領域存在諸多的挑戰需要解決。二維層狀材料異質結作為原子級薄的半導體異質結，具有諸多重大的科學意義以及應用價值，極具研究前景[2]。
參考文獻
[1].geimak，grigorievaiv.vanderwaalsheterostructures.nature.499，419-425(2013).
[2].liuy，weissno，duanx，etal.vanderwaalsheterostructuresanddevices[j].naturereviewsmaterials，2016，1：16042.
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[4].lim-y，eta廣epitaxialgrowthofamonolayerwse2-mos2lateralp-njunctionwithanatomicallysharpinterface.science.349，524-528(2015).
[5].huangc，etal.lateralheterojunctionswithinmonolayermose2-wse2semiconductors.natmater.13，1096-1101(2014).
技術實現要素：
為克服現有異質結製備方法普遍存在兩種異質結材料之間的高摻雜、製備效率低下、界面合金區域過寬等問題，本發明提供了一種二維材料橫向異質結的製備方法，旨在改良現有的二維材料異質結製備方法，使能夠獲得原子層級光滑性、界線陡峭、平整以及低摻雜的二維材料橫向異質結，並實現高效製備，同時實現二維超晶格的製備，解決目前不能簡單靠生長獲得超晶格的難題。
一種二維材料橫向異質結的製備方法，包括以下步驟：
步驟(a)：以材料a粉末為原料，在基底表面進行氣相沉積，形成材料a的納米片；
步驟(b)：將材料b1的粉末在逆向載氣氣流下加熱至生長溫度，隨後再在正向載氣氣流下使b1沿材料a的納米片外沿橫向生長，生長完成後再通入逆向載氣氣流，製得二維材料橫向異質結a-b1；
所述的逆向指由基底吹向原料粉末的方向；所述的正向指由原料粉末吹向基底的方向；
所述的材料a和材料b1獨自選自過渡金屬硫族化合物、金屬滷化物、過渡金屬滷氧化物、金屬碳化物或金屬氮化物，且a≠b1。
本發明獨創性地在二維材料原料粉末升溫階段通入逆向氣流，當達到二維材料原料粉末的生長溫度後，再變換載氣流向，使二維材料原料沉積在基底上，通過在製備過程中採取升溫階段通入冷卻氣流的方法，解決了生長過程中第一種材料易於受熱毀損的難題(也即是，通過所述的方法可明顯解決在沉積下一種二維材料過程中，損害基底上已沉積的二維材料)，極大提升了二維材料製備的可控性以及效率。本發明通過在材料粉末升溫至成長溫度後變換氣流方向的方法，可穩定基底上已有生長的二維材料，此外，通過所述的製備方法可以連續外延二維材料，可有效解決二維材料橫向外延過程中界線處成核難以控制的難題，實現了界線處的原子級平整，該製備方法具有操作過程簡單，實驗重複性好等優勢。
序列生長和生長條件穩定化過程中通入反向氣流以穩定已經生長的二維材料。
作為優選，以bi粉末為原料，重複i-1次步驟(b)，在帶有bi-1的二維橫向異質結材料外沿橫向生長bi，得到結構為a-b1-b2-……bi的成品；所述i為大於等於2的整數；所述bi粉末選自過渡金屬硫族化合物、金屬滷化物、過渡金屬滷氧化物、金屬碳化物或金屬氮化物；且bi≠bi-1。
本發明中，可通過變換二維材料的原料，重複進行步驟(b)，不斷在製得的橫向異質結外沿橫向延伸二維材料；製得具有三層及以上的橫向複合的多種異質結的產物。
作為優選，所述的a-b1-b2-……bi的成品中，相間隔層的材料相同。該類由兩種原料沿外沿交替延伸生長、該材料具有二維材料超晶格結構。
作為優選，i為2或3。
例如i為2時，採用b2原料粉末替換步驟(b)的b1原料粉末，重複進行步驟(b)，製得二維材料橫向異質結a-b1-b2。所述的a、b1、b2獨自選自過渡金屬硫族化合物、金屬滷化物、過渡金屬滷氧化物、金屬碳化物或金屬氮化物；且b2≠b1；b1≠a。
再如i為3時，採用不同物料重複進行步驟(b)兩次(i-1次)，也即是：採用b2原料粉末替換步驟(b)的b1原料粉末，重複進行步驟(b)，製得二維材料橫向異質結a-b1-b2；隨後再採用b3原料在a-b1-b2的外延橫向生長b3；製得二維材料橫向異質結a-b1-b2-b3。所述的a、b1、b2、b3獨自選自過渡金屬硫族化合物、金屬滷化物、過渡金屬滷氧化物、金屬碳化物或金屬氮化物；且b3≠b2；b2≠b1；b1≠a。
所述的二維材料橫向異質結a-b1-b2-b3中，當a＝b2、且b2＝b3時，該異質結具有超晶格結構。
作為優選，所述的材料a選自ws2或wse2。
作為優選，所述的材料b1、材料b2、材料bi獨自選自mos2、ws2、mose2或wse2。
作為優選，製備過程中，精確調控生長溫度以及生長時間，以及載氣流量等參數，能夠提升製得的二維材料納米片的性能；從而更利於後續製備得到優異的異質結結構。過高溫度和溫度過低都會影響二維材料的生長，包括對材料層厚、大小、形狀等，合適的載氣流量是獲得質量優良的二維材料的關鍵，流量速率過高或者偏低都會造成生長的可控性變弱，出現生長不穩定，長出三維結構等不利結果，合理的時間才能獲得合適大小的二維材料。
作為優選，步驟(a)中，ws2的生長溫度為1100℃-1200℃，生長時間為1-15min，載氣流量為30-350sccm。
進一步優選，步驟(a)中，ws2的生長溫度為1150℃-1180℃，生長時間為5-10min，載氣流量為50-110sccm。
作為優選，步驟(a)中，wse2的生長溫度為1030℃-1200℃，生長時間為5-20min，載氣流量為50-200sccm。
進一步優選，步驟(a)中，wse2的生長溫度為1150℃-1160℃，生長時間為5-10min，載氣流量為60-100sccm。
本發明中，對異質結製備過程[步驟(b)]的生長溫度以及生長時間進行精準調控，配合本發明獨創的變換氣流方法，能夠確保二維材料橫向外延過程中界線處成核難以控制的難題，進一步提升界線處的原子級平整性。過高溫度會造成材料的毀損，溫度過低則會出現界線處出現三維島狀物，只有合適的載氣流量才能獲得合適的外延效果，流量速率過高或者偏低都會造成生長的可控性變弱，出現生長不穩定，長出三維結構等不利結果，合理的時間可以精準控制合適寬窄的異質結構。
作為優選，步驟(b)中，ws2的生長溫度為1100℃-1200℃；生長時間為1-15min；正向載氣流量為50-350sccm。
進一步優選，步驟(b)中，ws2的生長溫度為1150℃-1200℃；生長時間為1-2min；正向載氣流量為50-100sccm。
作為優選，步驟(b)中，wse2的生長溫度為1030℃-1180℃，生長時間為1-20min；正向載氣流量為50-200sccm。
進一步優選，步驟(b)中，wse2的生長溫度為1100℃-1120℃，生長時間為1-2min；正向載氣流量為100-150sccm。
作為優選，步驟(b)中，mos2的生長溫度為1150℃-1200℃，生長時間為1-5min；正向載氣流量為50-300sccm。
進一步優選，步驟(b)中，mos2的生長溫度為1180℃-1200℃，生長時間為2-5min；正向載氣流量為100-300sccm。
作為優選，步驟(b)中，mose2的外延生長溫度為1180℃-1200℃，生長時間為30s-5min，載氣流量為50-200sccm。
進一步優選，步驟(b)中，mose2的外延生長溫度為1180℃-1200℃，生長時間為30s-50s，載氣流量為100-200sccm。
步驟(b)中，逆向載氣流量均為200～500sccm；逆向載氣流量優選為300～350sccm。
本發明中，繼續在步驟(b)中製得的異質結的邊緣外延二維材料，製得具有三層及以上層數的二維材料橫向複合的多種異質結。
在異質結外延二維材料的物理氣相沉積方法可參考步驟(b)的各原位的生長溫度、生長時間以及載氣流量。
所述的基底為si/sio2基底、藍寶石基底或雲母基底；進一步優選為si/300nmsio2基底。
本發明還包括實施所述製備方法的氣相沉積(例如步驟(a)的沉積以及步驟(b)的延伸生長)裝置，包括石英管，所述的石英管的中部腔室為高溫恆溫區，二維材料的原料粉末放置在高溫恆溫區，所述的裝置還設置有加熱所述高溫恆溫區的加熱裝置；所述的石英管的一端的腔室為變溫沉積區，基底和/或沉積有二維材料的基底放置在變溫沉積區域；
所述的石英管二端均設置有氣孔，靠近基底端的氣孔為氣孔1；氣孔1相對端的氣孔為氣孔2。
所述的變溫沉積區設置在高溫恆溫區的一側，且未配備加熱裝置。
本發明所述的氣相沉積裝置，異質結製備過程中，所述的二維材料的原料粉末升溫至生長溫度的階段，氣孔1為載氣進氣口，氣孔2為載氣出氣口；待二維材料的原料粉末溫度達到生長溫度後，氣孔2為載氣的進氣口，氣孔1為載氣的出氣口。
本發明中，步驟(a)中，在製備二維材料納米片的時候，先由氣孔2處通入載氣，由氣孔1導出(正向氣流)，清洗管路；隨後再將二維材料a的粉末裝載於氧化鋁舟體中，置於高溫恆溫區域；將基底材料置於變溫沉積區；在載氣的持續吹掃下，二維材料a的粉末在高溫恆溫區域不斷升溫，升溫至成長溫度後，沉積在基底表面，製得納米片；
步驟(b)中，變換載氣氣流方向，載氣由氣孔1通向氣孔2(逆向氣流)，將材料b1的粉末裝載於氧化鋁舟體中，置於高溫恆溫區域；並在該區域升溫，當材料b1的溫度升溫至成長溫度後，變換載氣的氣流方向，載氣由氣孔2通向氣孔1，在變換後的載氣的吹掃下，二維材料b1沿二維材料a的納米片的邊沿橫向生長(正向氣流)，沉積生長結束後，變換載氣流向，由氣孔1通向氣孔2；製得橫向異質結a-b1。
重複進行步驟(b)，使在製得的異質結的邊沿不斷外延橫向成長二維材料。
本發明一種優選的二維材料異質結的製備方法，包括以下步驟：
步驟(1)：將材料a的粉末源；裝載於氧化鋁舟體中，放置在管式爐石英管(2cm管徑)中的中間高溫恆溫區域；在管式爐變溫沉積區域放置氧化矽片(si/300nmsio2)作為材料沉積用襯底；所述的材料a為ws2或wse2；
先期通氬氣清洗管路(氬氣的流量例如為500sccm，通入時間例如為10min)，加熱過程中使用氬氣作為載氣；不同種類二維材料選用不同的載氣流量和生長溫度和生長時間；其中，ws2的生長溫度為1100℃-1150℃，生長時間為1-15min，載氣流量為30-350sccm；
wse2的生長溫度為1030℃-1160℃，生長時間為5-20min，載氣流量為50-200sccm；
沉積結束後，會在基底表面沉積有單層單晶ws2或wse2的納米片；
步驟(2)：二維材料橫向異質結(例如ws2-mos2、ws2-mose2、ws2-wse2、wse2-mose2、wse2-mose2)的製備，包括以下步驟
將橫向外延用二維材料的原料粉體(材料b1)裝載於氧化鋁舟中，放置到水平管式爐石英管(2cm管徑)中間高溫區域；所述的材料b1的原料為mos2、mose2、ws2或wse2；材料b1和a為不同材料；
將步驟(1)中製備的已經沉積有單層二維材料(如ws2、wse2)的基底放置於下遊的管式爐變溫沉積區域；
先通氬氣清洗管路(氬氣的流量例如為500sccm，通入時間例如為10min)，反應升溫階段通入逆向氣流(氣孔1通向氣孔2，其中ar的流量優選為300sccm)，達到橫向外延用二維原料生長溫度時，通入正向氣流(氣孔2通向氣孔1)，不同種類橫向外延用二維材料選用不同的載氣流量和生長溫度和生長時間；
ws2的生長溫度為1100℃-1200℃；生長時間為1-15min；正向載氣流量為50-350sccm；wse2的生長溫度為1030℃-1150℃，生長時間為1-20min；正向載氣流量為50-200sccm；mos2的生長溫度為1150℃-1200℃，生長時間為1-5min；正向載氣流量為50-200sccm；mose2的生長溫度為1180℃-1200℃，生長時間為30s-5min，載氣流量為50-200sccm；
生長結束再次通入逆向氣流(ar的流量優選為300sccm)截止反應，可獲得相應的ws2-mos2、ws2-mose2、ws2-wse2、wse2-mose2、wse2-mose2橫向異質結。
本發明所述的優選的二維材料異質結的製備方法，可在步驟(2)製得的異質結的基礎上，繼續通過步驟(2)的方法不斷外延橫向生長二維材料；製得具有多層結構的異質結。具體為，還包括步驟(3)：使用步驟(2)的方法，同時採用步驟(2)中獲得的異質結進行進一步的外延生長，採用合適的時間溫度以及載氣流量，進一步在步驟(2)中獲得的異質結的基礎上外延與前者不同的材料，可獲得相關的多橫向異質結(ws2-mos2-ws2，ws2-wse2-mos2，ws2-mose2-wse2)；
一種更優選的二維材料超晶格(如ws2-wse2-ws2-wse2)的製備，包括以下步驟：
採用步驟(1)的方法，在基底表面沉積有單層單晶ws2或wse2的納米片；
採用步驟(2)的方法，在ws2納米片的邊沿橫向生長wse2；並隨後繼續採用步驟(2)的方法繼續周期性外延生長ws2-wse2結構，可獲得ws2-wse2-ws2-wse2超晶格結構；
或者，採用採用步驟(2)的方法，在wse2納米片的邊沿橫向生長ws2；並隨後繼續採用步驟(2)的方法繼續周期性外延生長wse2-ws2結構，可獲得wse2-ws2-wse2-ws2超晶格結構；
其中材料的生長溫度ws2(1100℃-1200℃)、wse2(1030℃-1150℃)，生長時間ws2(1-15min)、wse2(1-20min)，反相載氣ar流量全部為300scccm，正向氣體ar流量分別為ws2(50-350sccm)、wse2(50-200sccm)。
本發明還公開了一種所述的製備方法製得的二維材料橫向異質結，包括生長在基底表面的材料a的納米片，以及沿二維材料a的納米片邊沿依次橫向成長的b1、b2、……、bi。
所述的二維材料橫向異質結中，所述的i為2或3。
所述優選的二維材料橫向異質結為a-b1-b2；或者為a-b1-b2-b3；材料a、材料b1、材料b2、材料bi獨自選自mos2、ws2、mose2或wse2；且b3≠b2；b2≠b1；b1≠a。所述的二維材料橫向異質結a-b1-b2-b3中，當a＝b2、且b2＝b3時，該異質結具有超晶格結構。
本發明還包括一種所述的製備方法製得的二維材料超晶格結構，為沿二維材料a的納米片納米片或二維材料橫向異質結邊沿橫向、循環周期性生長的結構，結構式為二維材料ab1b2、……、bi；相間隔層的材料相同，例如，偶數層的材料均為ws2，奇數層均為wse2；或者，偶數層的材料均為wse2，奇數層均為ws2。
本發明還包括所述的製備方法製得的橫向異質結構的應用，將所述的橫向異質結構材料用於製備p-n結二極體、光伏器件、光電檢測器、發光二級管、雷射二極體、量子阱器件、以及p-n-p三極體、反相器以及光子晶體等新型的微納電子元器件和新型二維結構。
製備所述的光學、電學原件的方法可參照現有技術。
有益效果
本發明製備過程中採用了升溫階段通入逆向氣流的方法極大地增進了橫向異質結製備過程中的穩定性，且確保了材料的性能，實驗過程簡潔，操作精確性高，能夠極大地提升相關材料製備的效率。
附圖說明
圖1為製備二維材料橫向異質結及其超晶格的裝置示意圖；
圖2為實施例1製備的橫向異質結ws2-wse2測試圖，其中，(a)為光學顯微鏡照片，(b)為拉曼測試光譜圖，(c)為光致發光譜圖；
圖3為實施例2製備的橫向異質結ws2-mose2測試圖，其中，(a)為光學顯微鏡照片，(b)為拉曼測試光譜圖，(c)為光致發光譜圖；
圖4為實施例3製備的橫向異質結ws2-mos2測試圖，其中，(a)為光學顯微鏡照片，(b)為拉曼測試光譜圖，(c)為光致發光譜圖；
圖5為實施例4製備的橫向異質結wse2-mos2測試圖，其中，(a)為光學顯微鏡照片，(b)為拉曼測試光譜圖，(c)為光致發光譜圖；
圖6為實施例5製備的橫向異質結wse2-mose2測試圖，其中，(a)為光學顯微鏡照片，(b)為拉曼測試光譜圖，(c)為光致發光譜圖；
圖7為實施例6製備的橫向異質結ws2-wse2-mos2測試圖，其中，(a)為光學顯微鏡照片，(b)為拉曼成像圖；
圖8為實施例7製備的橫向異質結ws2-mose2-wse2測試圖，其中，(a)為光學顯微鏡照片，(b)為拉曼成像圖；
圖9為實施例8製備的橫向異質結ws2-mos2-ws2測試圖，其中，(a)為光學顯微鏡照片，(b)為拉曼成像圖；
圖10為實施例9製備的橫向異質結ws2-wse2-ws2-wse2測試圖，其中，(a)為光學顯微鏡照片，(b)為拉曼成像圖；
圖11為對比例1製得的ws2-wse2的橫向異質結光學顯微鏡照片；
圖12為對比例2製得的橫向異質結ws2-wse2光學顯微鏡照片；
具體實施方式：
下面通過實施案例對本發明進一步說明，但本發明的內容不僅僅局限於下述內容。
實施例1
一種二維材料橫向異質結及其超晶格的製備方法，其具體的實施步驟如下：
(1)二維材料異質結單組分材料ws2的製備，包括以下步驟：
稱取0.6gws2粉末源裝載於氧化鋁舟體中，放置在管式爐石英管(2cm管徑)中的中間高溫區域。在管式爐變溫沉積區域放置氧化矽片(si/300nmsio2)作為材料沉積用襯底。
先期通500sccm氬氣10min清洗管路，加熱過程中使用氬氣作為載氣，氣體流量分別為50sccm，升溫至生長溫度相關材料的生長溫度1150℃，經5min生長時間，獲得沉積在氧化矽上的單層單晶tmds(ws2)納米片，其中單層納米片。
(2)二維材料橫向異質結ws2-wse2的製備，包括以下步驟：
將0.6g橫向外延用二維材料粉體wse2裝載於氧化鋁舟中，放置到水平管式爐石英管(2cm管徑)中間高溫區域。
將1)步驟中製備的已經沉積有單層二維材料ws2的氧化矽片放置於下遊的管式爐變溫沉積區域。
先期通500sccm氬氣10min清洗管路，反應升溫階段通入逆向氣流(ar300sccm)，達到材料外延生長溫度時，通入正向氣流，生長結束再次通入逆向氣流截止反應，可獲得相應的ws2-wse2橫向異質結。其中相應的生長溫度分別為wse2(1100℃)，生長時間wse2(1min)、正向氣流ar流量分別為wse2(120sccm)。
圖2為製備出樣品的光學圖像以及拉曼光譜測試圖，螢光成像圖譜，證實獲得的樣品無摻雜，各項性能指標優良。圖2中，(a)的標尺為5μm。
實施例2
和實施例1相比，區別在於，步驟(2)中，採用的橫向外延用二維材料粉體為mose2(也即是採用mose2粉末替換實施例1步驟(2)的wse2粉末)；且mose2的生長溫度為1200℃，生長時間為30s，生長過程中的正向氣流ar流量分別為200sccm。製得二維材料橫向異質結ws2-mose2。
圖3為製備出樣品的光學圖像以及拉曼光譜測試圖，螢光成像圖譜，證實獲得的樣品無摻雜，各項性能指標優良。圖3中，(a)的標尺為5μm。
實施例3
和實施例1相比，區別在於，步驟(2)中，採用的橫向外延用二維材料粉體為mos2(也即是採用mos2粉末替換實施例1步驟(2)的wse2粉末)；且mos2的生長溫度為1200℃，生長時間為2s，生長過程中的正向氣流ar流量分別為300sccm。製得二維材料橫向異質結ws2-mos2。
圖4為製備出樣品的光學圖像以及拉曼光譜測試圖，螢光成像圖譜，證實獲得的樣品無摻雜，各項性能指標優良。圖4中，(a)的標尺為5μm。
實施例4
一種二維材料橫向異質結及其超晶格的製備方法，其具體的實施步驟如下：
(1)二維材料異質結單組分材料wse2的製備，包括以下步驟：
稱取0.8gwse2粉末源裝載於氧化鋁舟體中，放置在管式爐石英管(2cm管徑)中的中間高溫區域。在管式爐變溫沉積區域放置氧化矽片(si/300nmsio2)作為材料沉積用襯底。
先期通500sccm氬氣10min清洗管路，加熱過程中使用氬氣作為載氣，氣體流量分別為60sccm，升溫至生長溫度相關材料的生長溫度1160℃，經5min生長時間，獲得沉積在氧化矽上的單層單晶tmds納米片，其中單層納米片。
(2)二維材料橫向異質結wse2-mos2的製備，包括以下步驟：
將0.6g橫向外延用二維材料粉體mos2裝載於氧化鋁舟中，放置到水平管式爐石英管(2cm管徑)中間高溫區域。
將1)步驟中製備的已經沉積有單層二維材料wse2的氧化矽片放置於下遊的管式爐變溫沉積區域。
先期通500sccm氬氣10min清洗管路，反應升溫階段通入逆向氣流(ar500sccm)，達到材料外延生長溫度時，通入正向氣流，生長結束再次通入逆向氣流截止反應，可獲得相應的wse2-mos2橫向異質結。其中mos2生長溫度(1200℃)、生長時間2min、正向氣流ar流量分別為100sccm。
圖5為製備出樣品的光學圖像以及拉曼光譜測試圖，螢光成像圖譜，證實獲得的樣品無摻雜，各項性能指標優良。圖5中，(a)的標尺為5μm。
實施例5
和實施例4相比，區別在於，步驟(2)中，採用mose2原料粉末替代實施例4步驟(2)的mos2；其中，mose2的生長溫度為1200℃，生長時間為為50s，正向氣流ar流量為100sccm。
通過實施例4，製得wse2-mose2橫向異質結。
圖6為製備出樣品的光學圖像以及拉曼光譜測試圖，螢光成像圖譜，證實獲得的樣品無摻雜，各項性能指標優良。圖6中，(a)的標尺為5μm。
實施例6
二維材料多異質結包括ws2-wse2-mos2的製備。和實施例1相比，區別在於，還包括步驟(3)：
使用實施例1的2)中所述的方法，同時採用2)步驟中獲得的異質結進行進一步的外延生長，採用合適的時間溫度以及載氣流量，進一步在2)中獲得的異質結的基礎上外延與前兩者不同的材料，可獲得相關的ws2-wse2-mos2多橫向異質結。具體可為：
將0.6g橫向外延用二維材料粉體mos2裝載於氧化鋁舟中，放置到水平管式爐石英管(2cm管徑)中間高溫區域。
將實施例1製得的沉積有單層二維材料ws2-wse2的氧化矽片放置於下遊的管式爐變溫沉積區域。
先期通500sccm氬氣10min清洗管路，反應升溫階段通入逆向氣流(ar300sccm)，達到材料外延生長溫度時，通入正向氣流，生長結束再次通入逆向氣流截止反應，可獲得相應的ws2-wse2-mos2橫向異質結。
其中，mos2的生長溫度為1180℃，生長時間為5min，反相載氣ar流量為300scccm，正向氣體ar流量分別為100sccm。
圖7為製備出樣品的光學圖像以及拉曼光譜掃描成像圖，圖7中，(a)的標尺為5μm。(b)為製得的異質結的拉曼光譜掃描成像圖，其中，所述的最內層為350cm-1的拉曼成像圖，標記為粉色；中間層為250cm-1的拉曼成像圖，標記為綠色；最外層為405cm-1的拉曼成像圖，標記為藍色。從圖7可證實獲得的樣品無摻雜，性能指標優良。
實施例7
二維材料多異質結包括ws2-mose2-wse2的製備。和實施例2相比，區別在於，還包括步驟(3)：
使用實施例2的2)中所述的方法，同時採用2)步驟中獲得的異質結ws2-mose2進行進一步的外延生長，採用合適的時間溫度以及載氣流量，進一步在2)中獲得的異質結的基礎上外延與前兩者不同的材料，可獲得相關的ws2-mose2-wse2多橫向異質結。具體可為：
將0.6g橫向外延用二維材料粉體wse2裝載於氧化鋁舟中，放置到水平管式爐石英管(2cm管徑)中間高溫區域。
將實施例2製得的沉積有單層二維材料ws2-mose2的氧化矽片放置於下遊的管式爐變溫沉積區域。
先期通500sccm氬氣10min清洗管路，反應升溫階段通入逆向氣流(ar300sccm)，達到材料外延生長溫度時，通入正向氣流，生長結束再次通入逆向氣流截止反應，可獲得相應的ws2-mose2-wse2橫向異質結。
其中，wse2的生長溫度為1100℃，生長時間為1min、正向氣流ar流量分別為120sccm。
圖8為製備出樣品的光學圖像以及拉曼光譜掃描成像圖，圖8中，(a)的標尺為5μm。(b)為製得的異質結的拉曼光譜掃描成像圖，其中，所述的最內層為350cm-1的拉曼成像圖，標記為紫色；中間層為240cm-1的拉曼成像圖，標記為紅色；最外層為250cm-1的拉曼成像圖，標記為綠色。從圖8可證實獲得的樣品無摻雜，性能指標優良。
實施例8
ws2-mos2-ws2
二維材料多異質結包括ws2-mos2-ws2的製備。和實施例3相比，區別在於，還包括步驟(3)：
使用實施例3的2)中所述的方法，同時採用2)步驟中獲得的異質結進行進一步的外延生長，採用合適的時間溫度以及載氣流量，進一步在2)中獲得的異質結的基礎上外延與前者不同的材料，可獲得相關的ws2-mos2-ws2多橫向異質結。具體可為：
將0.6g橫向外延用二維材料粉體ws2裝載於氧化鋁舟中，放置到水平管式爐石英管(2cm管徑)中間高溫區域。
將實施例3製得的沉積有單層二維材料ws2-mos2的氧化矽片放置於下遊的管式爐變溫沉積區域。
先期通500sccm氬氣10min清洗管路，反應升溫階段通入逆向氣流(ar300sccm)，達到材料外延生長溫度時，通入正向氣流，生長結束再次通入逆向氣流截止反應，可獲得相應的ws2-mos2-ws2橫向異質結。
其中，ws2的生長溫度為1150℃，生長時間ws2時間為1min，反相載氣ar流量為300scccm，ws2的正向氣體ar流量為50sccm。
圖9為製備出樣品的光學圖像以及拉曼光譜掃描成像圖，圖9中，(a)的標尺為5μm。(b)為製得的異質結的拉曼光譜掃描成像圖，其中，所述的最內層為350cm-1的拉曼成像圖，標記為粉色；中間層為405cm-1的拉曼成像圖，標記為藍色；最外層為350cm-1的拉曼成像圖，標記為粉色。從圖9可證實獲得的樣品無摻雜，性能指標優良。
實施例9
ws2-wse2-ws2-wse2的製備
(1)二維材料異質結單組分材料ws2的製備，包括以下步驟：
稱取0.6gws2粉末源裝載於氧化鋁舟體中，放置在管式爐石英管(2cm管徑)中的中間高溫區域。在管式爐變溫沉積區域放置氧化矽片(si/300nmsio2)作為材料沉積用襯底。
先期通500sccm氬氣10min清洗管路，加熱過程中使用氬氣作為載氣，氣體流量分別為50sccm，升溫至生長溫度相關材料的生長溫度1150℃，經5min生長時間，獲得沉積在氧化矽上的單層單晶tmds(ws2)納米片，其中單層納米片。
(2)二維材料橫向異質結ws2-wse2的製備，包括以下步驟：
將0.6g橫向外延用二維材料粉體wse2裝載於氧化鋁舟中，放置到水平管式爐石英管(2cm管徑)中間高溫區域。
將1)步驟中製備的已經沉積有單層二維材料ws2的氧化矽片放置於下遊的管式爐變溫沉積區域。
先期通500sccm氬氣10min清洗管路，反應升溫階段通入逆向氣流(ar300sccm)，達到材料外延生長溫度時，通入正向氣流，生長結束再次通入逆向氣流截止反應，可獲得相應的ws2-wse2橫向異質結。其中相應的生長溫度分別為wse2(1100℃)，生長時間wse2(1min)、正向氣流ar流量分別為wse2(120sccm)。
(3)二維材料橫向異質結ws2-wse2-ws2的製備，包括以下步驟：
將0.6g橫向外延用二維材料粉體ws2裝載於氧化鋁舟中，放置到水平管式爐石英管(2cm管徑)中間高溫區域。
將2)步驟中製備的已經沉積有ws2-wse2的氧化矽片放置於下遊的管式爐變溫沉積區域。
先期通500sccm氬氣10min清洗管路，反應升溫階段通入逆向氣流(ar300sccm)，達到材料外延生長溫度時，通入正向氣流，生長結束再次通入逆向氣流截止反應，可獲得相應的ws2-wse2-ws2橫向異質結。ws2的生長溫度為1150℃，生長時間ws2時間為1min，反相載氣ar流量為300scccm，ws2的正向氣體ar流量為50sccm。
(4)二維材料超晶格ws2-wse2-ws2-wse2的製備
將0.6g橫向外延用二維材料粉體wse2裝載於氧化鋁舟中，放置到水平管式爐石英管(2cm管徑)中間高溫區域。
將3)步驟中製備的已經沉積有ws2-wse2-ws2的氧化矽片放置於下遊的管式爐變溫沉積區域。
先期通500sccm氬氣10min清洗管路，反應升溫階段通入逆向氣流(ar300sccm)，達到材料外延生長溫度時，通入正向氣流，生長結束再次通入逆向氣流截止反應，可獲得相應的ws2-wse2-ws2-wse2二維材料超晶格。wse2的生長溫度分別為1100℃，生長時間為1min、正向氣流ar流量分別為120sccm；反相載氣ar流量全部為300scccm。
圖10為製備出樣品的光學圖像以及拉曼光譜掃描成像圖，圖10中，(a)的標尺為5μm。(b)為製得的異質結的拉曼光譜掃描成像圖，其中，所述的最內層和第三層為350cm-1的拉曼成像圖，標記為粉色；第二次和最外層為250cm-1的拉曼成像圖，標記為綠色。從圖10可證實獲得的樣品無摻雜，性能指標優良。
實施例10
ws2-wse2橫向異質結
(1)二維材料異質結單組分材料ws2的製備，包括以下步驟：
稱取0.6gws2粉末源裝載於氧化鋁舟體中，放置在管式爐石英管(2cm管徑)中的中間高溫區域。在管式爐變溫沉積區域放置氧化矽片(si/300nmsio2)作為材料沉積用襯底。
先期通500sccm氬氣10min清洗管路，加熱過程中使用氬氣作為載氣，氣體流量為100sccm，升溫至生長溫度1180℃，經5min生長時間，獲得沉積在氧化矽上的單層單晶tmds(ws2)納米片，其中單層納米片。
(2)二維材料橫向異質結ws2-wse2的製備，包括以下步驟：
將0.6g橫向外延用二維材料粉體wse2裝載於氧化鋁舟中，放置到水平管式爐石英管(2cm管徑)中間高溫區域。
將1)步驟中製備的已經沉積有單層二維材料ws2的氧化矽片放置於下遊的管式爐變溫沉積區域。
先期通500sccm氬氣10min清洗管路，反應升溫階段通入逆向氣流(ar300sccm)，達到材料外延生長溫度時，通入正向氣流，生長結束再次通入逆向氣流截止反應，可獲得相應的ws2-wse2橫向異質結。其中相應的生長溫度分別為wse2(1120℃)，生長時間wse2(2min)、正向氣流ar流量分別為wse2(150sccm)。
實施例11
橫向異質結wse2-mos2：
(1)二維材料異質結單組分材料wse2的製備，包括以下步驟：
稱取0.8gwse2粉末源裝載於氧化鋁舟體中，放置在管式爐石英管(2cm管徑)中的中間高溫區域。在管式爐變溫沉積區域放置氧化矽片(si/300nmsio2)作為材料沉積用襯底。
先期通500sccm氬氣10min清洗管路，加熱過程中使用氬氣作為載氣，氣體流量分別為100sccm，升溫至生長溫度相關材料的生長溫度1150℃，經5min生長時間，獲得沉積在氧化矽上的單層單晶tmds納米片，其中單層納米片。
(3)二維材料橫向異質結wse2-mos2的製備，包括以下步驟：
將0.6g橫向外延用二維材料粉體mos2裝載於氧化鋁舟中，放置到水平管式爐石英管(2cm管徑)中間高溫區域。
將1)步驟中製備的已經沉積有單層二維材料wse2的氧化矽片放置於下遊的管式爐變溫沉積區域。
先期通500sccm氬氣10min清洗管路，反應升溫階段通入逆向氣流(ar500sccm)，達到材料外延生長溫度時，通入正向氣流，生長結束再次通入逆向氣流截止反應，可獲得相應的wse2-mos2橫向異質結。其中mos2生長溫度(1180℃)、生長時間3min、正向氣流ar流量分別為100sccm。
實施例12
ws2-wse2-ws2-wse2的製備
(1)二維材料異質結單組分材料ws2的製備，包括以下步驟：
稱取0.6gws2粉末源裝載於氧化鋁舟體中，放置在管式爐石英管(2cm管徑)中的中間高溫區域。在管式爐變溫沉積區域放置氧化矽片(si/300nmsio2)作為材料沉積用襯底。
先期通500sccm氬氣10min清洗管路，加熱過程中使用氬氣作為載氣，氣體流量分別為100sccm，升溫至生長溫度相關材料的生長溫度1150℃，經5min生長時間，獲得沉積在氧化矽上的單層單晶tmds(ws2)納米片，其中單層納米片。
(2)二維材料橫向異質結ws2-wse2的製備，包括以下步驟：
將0.6g橫向外延用二維材料粉體wse2裝載於氧化鋁舟中，放置到水平管式爐石英管(2cm管徑)中間高溫區域。
將1)步驟中製備的已經沉積有單層二維材料ws2的氧化矽片放置於下遊的管式爐變溫沉積區域。
先期通500sccm氬氣10min清洗管路，反應升溫階段通入逆向氣流(ar300sccm)，達到材料外延生長溫度時，通入正向氣流，生長結束再次通入逆向氣流截止反應，可獲得相應的ws2-wse2橫向異質結。其中相應的生長溫度分別為wse2(1120℃)，生長時間wse2(2min)、正向氣流ar流量分別為wse2(100sccm)。
(3)二維材料橫向異質結ws2-wse2-ws2的製備，包括以下步驟：
將0.6g橫向外延用二維材料粉體ws2裝載於氧化鋁舟中，放置到水平管式爐石英管(2cm管徑)中間高溫區域。
將2)步驟中製備的已經沉積有ws2-wse2的氧化矽片放置於下遊的管式爐變溫沉積區域。
先期通500sccm氬氣10min清洗管路，反應升溫階段通入逆向氣流(ar300sccm)，達到材料外延生長溫度時，通入正向氣流，生長結束再次通入逆向氣流截止反應，可獲得相應的ws2-wse2-ws2橫向異質結。ws2的生長溫度為1150℃，生長時間ws2時間為2min，反相載氣ar流量為300scccm，ws2的正向氣體ar流量為100sccm。
(4)二維材料超晶格ws2-wse2-ws2-wse2的製備
將0.6g橫向外延用二維材料粉體wse2裝載於氧化鋁舟中，放置到水平管式爐石英管(2cm管徑)中間高溫區域。
將3)步驟中製備的已經沉積有ws2-wse2-ws2的氧化矽片放置於下遊的管式爐變溫沉積區域。
先期通500sccm氬氣10min清洗管路，反應升溫階段通入逆向氣流(ar300sccm)，達到材料外延生長溫度時，通入正向氣流，生長結束再次通入逆向氣流截止反應，可獲得相應的ws2-wse2-ws2-wse2二維材料超晶格。wse2的生長溫度分別為1100℃，生長時間為2min、正向氣流ar流量分別為100sccm；反相載氣ar流量全部為300scccm。
對比例1
不通入逆向氣流製備ws2-wse2
和實施例1相比，區別在於，步驟(2)中，沒有使用逆向氣流在升溫階段進行冷卻；升溫階段採用的正向氣流為120sccm，與生長時溫度相同。製得二維材料橫向異質結ws2-wse2。
獲得的異質結，外延區域為wse2多層島狀物，難以實現單層的平整的異質結界面，如圖11所示。圖11的標尺為5μm。
對比例2
和實施例1相比，區別在於，步驟(2)中，採用的橫向外延用二維材料粉體wse2的生長溫度為1200℃。
在該生長溫度條件下容易發生對第一種材料的高溫刻蝕，造成第一種材料的毀損，出現刻蝕孔洞，使得樣品製備失敗，如圖12所示。圖12的標尺為5μm。