[发明专利]一种单层过渡金属硫属化物薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，尤其涉及单层过渡金属硫属化物薄膜，以及它的制备方法。

背景技术

过渡金属硫属化物，MX₂(M＝Mo，W；X＝S，Se，Te)，由于在催化、纳米摩擦学、微电子学、锂离子电池、光电子学等领域有很大的研究潜力而倍受研究者的关注(Chhowalla et al.，Nano.Lett.，2013，13，6222-6227；Bauer et al.，Langmuir，1989，5，1009-1015；Kis et al.，Nat.Nanotech.，2011，6，147-150；Wang et al.，Adv.Mater.，2014，26，964-969；Kis et al.，Nat.Nanotech.，2013，8，497-501)。层状结构的MX₂(M＝Mo，W；X＝S，Se)，如MoS₂，每一层是由S-Mo共价键组成的具有类似于“三明治”的层状结构(金属Mo层位于两层S之间)，而“三明治”结构之间是由很弱的范德瓦耳斯力连接(Parkinson et al.，J.Phys.Chem.，1982，86，463-467)。正是这些很强的层内S-Mo共价键赋予了MoS₂很好的热稳定性和力学强度(Kis et al.，ACS Nano，2011，5，9703-9709)。和石墨烯一样，二维MX₂薄膜有许多不同于块材的物理性质，比如，块状MoS₂是间接带隙半导体，带隙为1.2eV(Parkinson et al.J.Phys.Chem.，1982，86，463-467)。随着层数的减少，带隙增加，且单层MoS₂是带隙为1.9eV的直接带隙半导体(Heinz et al.，Phy.Rev.Lett.，2010，105，136805)。二维MX₂薄膜表现出很好的电学和光学特性，由其制作的场效应晶体管，光探测器，气敏传感器等表现出的很好的性质使其成为传统的硅基半导体潜在的替代品(Kis et al.，Nat.Nanotech.，2011，6，147-150；Zhang et al.，ACS Nano，2012，6，74-80；Rao et al.，ACS Nano，2013，7，4879-4891)。

英特尔创始人之一戈登·摩尔提出的摩尔定律表明：当价格不变时，

集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍(Schwierz et al.，Nat.Nanotech.，2010，5，487-496)。从技术的角度看，随着硅片上线路密度的增加，其复杂性和差错率也将呈指数增长，一旦芯片上线条的宽度达到纳米(10^-9米)数量级时，传统硅基器件所遵循的经典物理学规律将不再适用，这种情况下出现的一系列量子物理效应统称为短沟道效应，致使采用现行工艺的半导体器件不能正常工作，摩尔定律也就要走到尽头。基于二维MX₂薄膜的纳米电子器件在短沟道器件上有很大的潜力，使集成电路在更高的集成度的情况下能正常工作。

因此现在有很多工作是关于制备单层MX₂薄膜的，比如基于胶带的机械剥离法、插层剥离法、液相剥离法、物理气相沉积法、球磨法等(Kis et al.，Nat.Nanotech.，2011，6，147-150；Zhang et al.，Angew.Chem.Int.Ed.，2011，50，11093-11097；Morrison et al.，Mat.Res.Bull.，1986，21，457-461；Nicolosi et al.，Science，2011，331，568-571；Wong et al.，J.Mater.Chem.，2012，22，13494-13499)。研究工作者们基于以上方法所制得单层MX₂薄膜的大小都在100μm以下，这种大小的薄膜MX₂将严重阻碍今后其大规模的应用。现在合成大面积的单层MX₂薄膜仍然是一个很大的挑战。

发明内容