[发明专利]一种少层三氧化钼二维原子晶体纳米片的制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，特别涉及一种机械剥离法，化学刻蚀法制备少层三氧化钼二维原子晶体纳米片的方法。

背景技术

二维石墨烯具有非常优异的光电特性，但是其带隙为0，而且带隙难以打开，严重制约了材料在半导体器件中的应用。二维半导体氧化物材料具有较高的介电常数，带隙较宽且结构可以调控，因此其材料的制备和器件应用受到迅速的关注。Alfa相三氧化钼具有二维层状结构，一个分子层厚度为0.7nm，介电常数随尺寸降低而增加。同时材料具有约3eV的宽带隙，其带隙宽度可以通过缺陷或者离子的引入进行调控，并进而调控其光电特性，因此在场效应器件(Balendhran.S.et al.(2013)."Field Effect Biosensing Platform Based on 2Dα-MoO₃."ACS Nano 7(11):9753-9760.)，光电探测(Wang Y.et al.(2017)."Growth of Large-Scale,Large-Size,Few-Layeredα-MoO₃on SiO₂and Its Photoresponse Mechanism."ACS Applied Materials&Interfaces 9(6):5543-5549.)，等离激元热处理(Song,G.et al.(2014)."Hydrophilic Molybdenum Oxide Nanomaterials with Controlled Morphology and Strong Plasmonic Absorption for Photothermal Ablation of Cancer Cells."ACS Applied Materials&Interfaces 6(6):3915-3922.)，光催化(Sreedhara.M.B,et al.(2013)."Synthesis,Characterization,and Properties of Few-Layer MoO₃."Chemistry–An Asian Journal 8(10):2430-2435.)等领域有重要的应用前景。

目前制备二维三氧化钼原子晶体(厚度<10nm)的方法有：1.机械剥离法(Kalantar-zadeh.K.et al.(2010)."Synthesis of nanometre-thick MoO₃sheets."Nanoscale 2(3):429-433.)。机械剥离法制备的优点在于材料结晶质量高，缺陷小。然而由于氧化钼的层内机械强度较弱，难以如石墨烯一般通过机械剥离法制备大面积(长或宽10μm以上)少层晶体。而且机械剥离法的效率极低，厚度无法调控，只能在显微镜下随机寻找，特性难以进一步调控。2.溶液剥离法(Hanlon D.et al.(2014)."Production of Molybdenum Trioxide Nanosheets by Liquid Exfoliation and Their Application in High-Performance Supercapacitors."Chemistry of Materials 26(4):1751-1763.)；溶液剥离法的优点是制备产量大，但是在刻蚀的时候氧化钼会很容易破碎，形成长宽尺寸小于1微米的薄片，适合大规模的光催化等化学领域的应用，但是不适合作为光电半导体器件。另外制备的材料缺陷多，特性难以调控。3.汽相沉积法。汽相沉积法可以制备高质量、大面积(长度达毫米级以上)的少层薄膜。但是需要以云母作为衬底。(Molina-Mendoza A.J.et al.(2016)."Centimeter-Scale Synthesis of Ultrathin Layered MoO3by van der Waals Epitaxy."Chemistry of Materials 28(11):4042-4051.)由于云母与半导体工艺不兼容，需要进一步进行材料的转移，不仅仅工艺复杂，而且转移过程引进的缺陷和杂质难以控制。通过工艺改进可以在硅以及二氧化硅上制备高质量，大面积(几十微米量级)的少层氧化钼晶体。但是生长的温区小，工艺调控难度大，能源的消耗及材料的损耗较大，制备时间较长，同时后期的材料特性调控时材料的空间特性不均匀(Wang.Y.et al.(2017)."Growth of Large-Scale,Large-Size,Few-Layeredα-MoO₃on SiO₂and Its Photoresponse Mechanism."ACSApplied Materials&Interfaces 9(6):5543-5549)，不利于应用的扩展。