[发明专利]一种制备过渡金属硫属化合物纳米薄片的方法和二硫化钒、二硒化钒纳米薄片

说明书

本发明公开了一种利用化学气相沉积制备金属性过渡金属硫属化合物纳米薄片的方法，包括：1)在相对于基底的气流上游依次放置三氯化钒粉末和硫属单质，后去除残留的空气；2)通入气体，在气流稳定后，将硫属单质、三氯化钒和基底分别加热至不同温度，之后恒温，在基底上生长得到金属性过渡金属硫属化合物纳米薄片。本发明的方法还可以实现这两种材料的纳米级厚度薄片的可控合成。本发明还公开了利用前述方法制备得到的具有特定厚度和尺寸的纳米薄片。

技术领域

本发明属于材料领域，具体地涉及利用常压化学气相沉积的方法，在硅片或云母实现高效、低能耗的可控制备厚度在纳米尺寸的金属性的过渡金属硫属化合物，如二硫化钒和二硒化钒纳米薄片。

背景技术

过渡金属硫属化合物(MX₂,M＝过渡金属；X＝S,Se,Te)是类石墨烯二维层状材料中重要的一个类，不同副族的过渡金属原子和不同的硫属原子组合成了一个结构相似、性质各异的过渡金属硫属化合物大家族。其中第六副族金属(Mo,W)的硫属化合物通常为半导体，能够弥补零带隙的半金属性石墨烯在电子器件应用上的不足。其在可见光范围类的直接带隙、强的光-物相互作用和优异的柔韧性使其在柔性电子学器件和光电子学器件方面有广阔的应用前景。除此之外，第五副族的过渡金属(V,Nb,Ta)硫属化合物为金属性，因其丰富的物理性质如磁性、电荷密度波、超导等而引起了人们的广泛关注。二硫化钒，拥有不同于半导体性二硫化钼或二硫化钨的金属性能带结构，是一种典型的金属性过渡金属硫属化合物，其金属性的特征使其在超级电容器和湿度传感器等方面有巨大的应用价值。更重要的是，这种金属性的二维过渡金属硫属化合物与其他半导体和绝缘体性质的二维材料结合有望实现全二维材料构筑的原子层厚度的电子学器件(金属、半导体和绝缘体)，例如利用金属性的过渡金属硫属化合物代替传统电极材料可以有效减小二硫化钼器件中的接触电阻，从而提高二硫化钼电子学器件的载流子迁移率。二硒化钒中，四价钒原子间的强的电子-电子耦合作用使其具有金属性，同时也具有一种电荷密度波行为。同时其中3d轨道的孤电子提供了丰富的自旋相互作用信息，因而使得二硒化钒是一种具有磁性的二维层状材料，在下一代自旋电子器件中有重要的应用前景。

目前制备金属性过渡金属硫属化合物纳米薄片一般有两种方法：

1.利用湿化学反应的方法得到二硫化钒或二硒化钒的粉末晶体的溶液，在利用液相剥离的方法分散得到二硫化钒或二硒化钒的纳米薄片。

2.利用化学气相输运的方法长时间的煅烧按化学计量比混合的单质粉末合成二硫化钒或二硒化钒的块材，再用机械剥离方法剥离出二硫化钒或二硒化钒的纳米薄片。

然而这两种方法都存在各自的缺点。前者利用湿法化学反应合成后液相剥离得到的二硫化钒或二硒化钒纳米片的横向尺寸往往在纳米级别，无法利用微纳加工技术将其应用到电子学器件中。后者长时间高温反应过程耗能高且效率低，机械剥离得到的二硫化钒或二硒化钒纳米薄片的厚度、形状和横向尺寸均无法控制，具有均一厚度、规则形状的纳米薄片尚未被制得。这两种制备方法的不足限制了二硫化钒或二硒化钒纳米薄片的研究和应用发展，所以有必要发明一种新的高效节能且可控的制备二硫化钒或二硒化钒纳米薄片的方法。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种采用化学气相沉积制备金属性过渡金属硫属化合物纳米薄片的方法，并利用该方法高效节能、厚度和横向尺寸可控的大面积合成二硫化钒或二硒化钒纳米薄片。

本发明提供的制备过渡金属硫属化合物纳米薄片的方法，包括以下步骤：

1)在相对于基底的气流上游依次放置过渡金属所成盐的粉末和硫属单质，后去除残留的空气；

2)通入载流气体，在气流稳定对反应腔加热，硫属单质、过渡金属所成盐和基底的分别加热至不同温度，之后恒温，在基底上生长得到金属性过渡金属硫属化合物纳米薄片。

作为上述技术方案的一个优选，所述基底为硅片或云母片。此处的硅片或者云母片可以是购买的商业硅片或云母片