[发明专利]二维硫族晶体的印刷式定点生长方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种二维硫族晶体的印刷式定点生长方法。

背景技术

二维原子晶体指的是主要以共价键结合形成的单个或少数原子层厚度的新型二维晶体材料。二维硫族原子晶体是其中一个种类繁多、性质丰富多彩的家族，在组成上都含有硫族元素硫、硒、碲中的一种或多种。在结构上，二维硫族原子晶体都是由几个原子层交替排列形成的多倍层结构单元组成。在多倍层内由强的共价键连接，层间则由弱的范德华力连接，形成高度各向异性的结构。二维硫族原子晶体在数量上超过六十种，其体材料性质十分丰富，覆盖了包括类金属如NbS₂，半金属如WTe₂，半导体如In₂Se₃，类绝缘体如HfS₂，拓扑绝缘体如Bi₂Se₃等能带范围，为我们提供了广阔的材料选择空间。除了继承体态材料丰富性质外，二维硫族原子晶体还展现了许多与体材料不同的新颖性质。如由于量子限域效应导致的带隙变化，大的比表面积凸显表面态的贡献，具有一定的柔性和透明性等。这些独特的性质促使二维硫族原子晶体这一数量繁多、性质丰富多彩的大家族发展成为一个备受瞩目的新领域。

与其他任何材料一样，为了实现集成化、高效率器件的构筑，对材料的大面积、高结晶性的定点生长十分关键。目前，对于二维硫族材料的制备，人们发展了微机械剥离、液相合成、分子束外延、气相沉积等多种方法。这些方法各有自己的优势，但是都很难同时实现对高质量二维硫族原子晶体的成核位置、形状、取向和厚度等的控制，为了构筑集成化的器件，必须同时实现对这些参数的调控，实现定点生长。

发明内容

本发明的目的是提供一种二维硫族晶体的印刷式定点生长方法。

本发明提供的制备二维硫族晶体的方法，包括如下步骤：

1)将弹性印章先浸泡于可挥发性溶剂中，再取出所述弹性印章压印在基底表面，待所述可挥发性溶剂挥发后，将所述基底从所述弹性印章上剥离，得到图案化修饰的基底；

2)在非氧化性气氛中，按照气路由下游至上游的顺序，依次放置步骤1)所得图案化修饰的基底和硫族材料，由室温升温后进行物理气相沉积，沉积完毕后降温，即在所述图案化的修饰的基底上得到所述二维硫族晶体。

上述方法的步骤1)中，构成所述弹性印章的材料为聚二甲基硅烷(PDMS)；弹性印章可以根据需要进行设计制备，该弹性印章上的图案可为圆形或线形；如为圆形，则圆形图案的直径至少为30nm；如为线形，则线形图案的线条宽度至少为30nm；

所述弹性印章上图案的形状为圆形、三角形、正方形、六边形、螺旋形或连续网格形状；

构成所述基底的材料选自白云母、氟金云母、本征硅、二氧化硅-硅、蓝宝石、石墨烯、氮化硼、钛酸锶和碳化硅中的至少一种；

所述基底的厚度为0.1毫米-2毫米；

将弹性印章浸泡于可挥发性溶剂中后，PDMS寡聚物会在可挥发性溶剂的作用下溶出，从而在弹性印章表面及溶剂中形成墨水，故将该弹性印章压印在基底表面时，即可在墨水的作用下将弹性印章上的图案压印在基底上。

所述可挥发性溶剂选自乙醇、丙酮和水中的至少一种；

所述挥发的过程可以是在大气中自然挥发，也可以是在热台上加热促使液体挥发，也可以采用真空抽干的方式促使挥发，此过程往往需要3-10分钟。

所述方法还包括如下步骤：在所述步骤1)图案化修饰步骤之前，将所述基底进行表面清洁。

各种常用的表面清洁方法均适用，如机械剥离的方法或用溶剂进行超声清洗的方法。具体而言，对于白云母或者氟金云母，可使用机械剥离的方法将基底表面上的云母层去除，得到新鲜干净的表面；而对于本征硅或二氧化硅-硅基底，可依次用水、乙醇和丙酮进行超声清洗。

所述步骤2)中，所述硫族材料选自In₂Se、Bi₂Te₃、GaS和SnSe中的至少一种；其外观形态可为块体或粉末；

所述非氧化气氛中的气体为不活泼气体或由还原性气体和不活泼气体组成的混合气；

其中，所述不活泼气体选自氮气和氩气中的至少一种；

所述还原性气体具体为氢气；

所述由还原性气体和不活泼气体组成的混合气中，氢气的体积份数具体可为5％；

所述非氧化性气氛中，气体的流量为20至1000立方厘米每分钟，具体可为100、200立方厘米每分钟。