具有優異光致發光特性的大面積二維層狀材料的製備方法與流程

2023-06-07 04:50:11 4

本發明涉及大面積二維層狀材料的製備方法，屬於二維層狀半導體材料特性及製備領域。

二、

背景技術：

近年來，二維層狀材料因其獨特的光電性能、化學性能以及機械特性受到廣大科研愛好者的青睞。首先，二維層狀材料領域的發展還要得益於2004年英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫所發現的石墨烯。過渡金屬硫屬化物典型的代表有硒化鉬(MoSe2)、硫化鉬(MoS2)以及碲化鉬(MoTe2)等。隨著科學技術的發展，以二維層狀材料製成的各種器件層出不窮。例如，利用超薄MoSe2來構建場效應電晶體能夠實現很高的柵極調控，同時有著高達106的開關比[S.Larentis,B.Fallahazad,E.Tutuc.Applied Physics Letters 2012,101.]。經過超強酸處理的單層MoS2的量子產率高達95％，並且具有很好的空氣穩定性和超短的載流子壽命[Matin Amani,Der-Hsien Lien,Daisuke Kiriya,et.al.Science 2015,350,1065.]。當前研究報導，多數二維層狀半導體材料的光學特性，特別是光致發光特性與材料的結構和厚度有很大的關係，當材料厚度減至少數幾層時才能觀察到明顯的光致發光特性，並且優異的光致發光特性取決於材料的晶體質量。具有優異光致發光特性的二維半導體材料將在製備高性能發光二極體中具有潛在的應用價值。

目前，製備二維層狀材料以研究其發光特性的方法眾多。其中，最簡單的方法是機械剝離的方法。這種方法能夠很簡便的製備出二維層狀材料，發光特性也比較好，但是製備效率極其低下且所得材料尺寸較小。以化學氣相沉積(CVD)來合成二維層狀材料的方法操作比較簡單，但合成出來的二維層狀材料尺寸較小、生長過程中不易控制，同時由於反應時的高溫還容易引入其它化學元素，導致其發展受到限制。因而，如何製備出高質量、大尺寸的薄膜來實現優異的發光特性是解決問題的關鍵。

三、

技術實現要素：

為避免上述二維層狀材料製備所存在的不足，本發明提供一種具有優異光致發光特性的大面積二維層狀材料的製備方法，旨在通過脈衝雷射沉積(PLD)的方法來製備二維層狀材料。

本發明為實現發明目的，採用如下技術方案：

本發明具有優異光致發光特性的大面積二維層狀材料的製備方法，其特點在於：

將清洗、乾燥後的基片和過渡金屬硫族化合物的靶材放入脈衝雷射沉積系統的腔體內，然後將腔體抽真空至10-5Pa以下；

加熱基片至300℃～600℃；用脈衝雷射轟擊靶材，使得基片表面沉積上過渡金屬硫族化合物的薄膜；

沉積結束後，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。所述基片為單晶矽片、氧化矽片、石英玻璃、FTO玻璃、PET襯底或藍寶石。

在脈衝雷射沉積系統的腔體內，基片與靶材的距離為3～7cm。

所述脈衝雷射的能量為20～150mJ、頻率為1～20Hz，沉積時間為10～100min。

與已有技術相比，本發明的有益效果體現在：

本發明採用PLD的方法，通過改變脈衝雷射沉積系統的參數和沉積的時間，可以很簡便的在基片上原位生長出高質量、大尺寸且具有優異發光特性的二維層狀材料；本發明的方法重複性強，製備的薄膜具有單層或少層原子的材料特性。

四、附圖說明

圖1是實施例1所製備的MoSe2薄膜的AFM圖；

圖2是實施例1所製備的MoSe2薄膜的XRD圖；

圖3是實施例1所製備的MoSe2薄膜的拉曼光譜；

圖4是實施例1所製備的MoSe2薄膜的PL光譜；

圖5是實施例2所製備的MoS2薄膜的AFM圖；

圖6是實施例2所製備的MoS2薄膜橫截面的SEM圖；

圖7是實施例2所製備的MoS2薄膜的PL光譜；

圖8是實施例3所製備的MoTe2薄膜的AFM圖；

圖9是實施例3所製備的MoTe2薄膜的XPS圖；

圖10是實施例3所製備的MoTe2薄膜的拉曼光譜。

五、具體實施方式

實施例1

本實施例按如下步驟製備二維層狀材料MoSe2：

將矽片依次放入丙酮、乙醇、去離子水中分別超聲清洗90秒，之後放入恆溫50℃的乾燥箱中進行乾燥。

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

打開脈衝雷射沉積系統PLD的放氣閥對腔體進行放氣，打開PLD艙門；將清洗、乾燥後的基片連同靶材依次放進脈衝雷射沉積系統的腔體內，同時控制基片與靶材的距離在5cm左右。關閉艙門與進氣閥，依次使用機械泵和分子泵對腔體抽至真空度10-5Pa以下。對基片進行加熱，並控制基片的溫度在400℃。轉動基片與靶材，打開脈衝雷射開始鍍膜，此時脈衝雷射的能量維持在100mJ、脈衝頻率為5Hz。鍍膜20分鐘結束後，關閉雷射，腔體自然冷卻至室溫，然後取出樣品。

分別採用原子力顯微鏡(AFM)，X射線衍射(XRD)和拉曼光譜儀對本實施例所製備的MoSe2薄膜材料進行表徵，結果分別見圖1、圖2和圖3。利用PL光致發光測試系統對材料的光致發光特性進行研究，結果見圖4。

如圖1所示，本實施例製備的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，本實施例製備的MoSe2薄膜具有取向性(沿著0111的方向生長)。如圖3所示的拉曼數據進一步證實了本實施例生長出來的二維層狀材料具有單層的性質。

圖4的數據表明本實施例所製備的MoSe2薄膜在光的照射下能夠很好的發射出雷射(即光致發光)，其半峰寬不足10nm。當光所照射的位置不同，所產生雷射的峰位也不相同，圖4的左圖和右圖分別對應著多層與單層的MoSe2薄膜。

實施例2

本實施例按實施例1中相同的步驟製備二維層狀材料MoS2，區別僅在於：所用基片為石英玻璃，所壓制的靶材為MoS2材料；鍍膜時，基片加熱至300℃，脈衝雷射頻率為3Hz，鍍膜時間為30分鐘。

分別使用AFM、掃描電子顯微鏡(SEM)、PL光致發光測試系統對本實施例所製備的MoS2薄膜材料進行形貌表徵、截面觀察、光致發光特性研究，結果分別如圖5、圖6、圖7所示。

圖5表明本實施例生長出來的MoS2表面具有三角形狀的單層及多層薄膜。圖6表明本實施例生長的薄膜厚度為100納米左右。

如圖7所示，使用514nm的雷射對本實施例的薄膜進行照射，MoS2材料產生了發光光譜。

實施例3

本實施例按實施例1中相同的步驟製備二維層狀材料MoTe2，區別僅在於：所壓制的靶材為MoTe2材料；鍍膜時脈衝雷射的能量為24mJ、頻率為10Hz，鍍膜時間為45分鐘。

分別使用AFM，X射線光電子能譜分析(XPS)和拉曼光譜儀進行表徵對本實施例所製備的MoTe2薄膜材料進行表徵，結果分別如圖8、圖9、圖10所示。

如圖8所示，MoTe2薄膜表面未見三角形結構，根據剖面線分析，表面薄膜厚度為幾個原子層。由於材料比較薄，圖9中Te和Mo的XPS圖譜進一步證實了這種材料的存在。圖10的拉曼光譜圖表明製備的MoTe2薄膜具有少數原子層的特性，且具有很好的結晶性。