[发明专利]一种制备二维过渡金属二硫族化合物单晶的方法及设备

说明书

技术领域

本发明属于材料制备技术领域，特别涉及一种制备二维过渡金属二硫族化合物单晶的方法及设备。

背景技术

过渡金属硫族化合物因其原子层级的厚度和独特的光电性能引起了广泛的关注和研究。近年来，大量文章报道了过渡金属硫族化合物的可控制备，奇特的光电性能以及在光探测、发光、自旋和能谷电子学等光电子领域的应用。因此如何可控地制备高质量TMDCs单晶成为了研究者及产业化共同关注的问题。

本专利设计提出的设备可用于大面积连续生产单层或多层二维过渡金属硫族化合物，如MoS₂，WS₂，MoSe₂,WSe₂等。此类层状二维半导体材料可用于光电传感器、逻辑电路元器件、太阳能电池、能源存储器件等诸多领域。

二维晶体材料所独有的二维平面结构赋予了这类材料诸多独特的性质。早在上世纪，就有很多的研究者对TMDCs的制备方法进行了研究。TMDCs家族成员繁多，我们以WSe₂的可控制备为例，对于其他几种TMDCs单晶的制备，方法和效果也基本相同。在制备WSe₂时可以通过热蒸发WSe₂粉末的方法，或是热分解(NH₄)₂WS₄或WSe₃粉末的方法制备WSe₂晶体。亦或是加热W或WO₃与Se的混合物，以及用W的金属氧化物(如W(CO)₆，WCl₅等)与Se的化合物反应等方法得到WSe₂颗粒或者晶体。但以上几种方式虽然可以获得TMDCs晶体及薄膜但都不是严格的单层WSe₂薄膜。

近年来围绕二维过渡金属硫族化合物(TMDCs)的相关研究发展迅速。材料的控制合成是最基础的科学问题,是揭示这类材料的独特性质并探索其应用的关键。在合成低维二维晶体的诸多方法中,化学气相沉积法具有可控性强、合成材料质量高、易于产业化等众多优点,已经展示出实现这类材料可控合成的巨大潜力。利用化学气相沉积法(CVD)合成过渡金属硫族化合物二维晶体以成为广泛应用的基本合成策略。

而化学气相沉积法(CVD法)所用的管式炉作为一种制备二维原子材料的经典设备，已经开始被研究者们广泛应用。该设备主要以S粉(或Se粉)、WO₃(或MoO₃)粉末为前驱体，通过CVD法在保护气氛下于高温下(400摄氏度到1000摄氏度)相互反应沉积，最终在绝缘基底上直接生长，分别能得到单层的MoS₂、WS₂、MoSe₂和WSe₂，或是异质结构等。

发明内容

鉴于目前所采用的CVD管式炉设备中使用的前驱体通常为金属氧(氯)化物粉体，所用的金属氧化物大部分不参与TMDCs单晶的形成，在硫族元素气氛下仅有少量的金属氧化物粉体形成TMDCs单晶。前驱体只可以单次反应使用，造成了大量的浪费。此外，前驱体的用量多少也难以决定，，导致合成反应及TMDCs单晶样品的质量具有极大的不可控性。

同时，在这个过程中引入的氧化物会残留在所得样品的表面，从而会对得到的TMDCs单晶的质量以及应用产生很大的影响。有研究者通过将前驱体改为已合成的TMDCs粉末，来避免氧化物的引入，但是这样却无法通过控制前驱物的比例对生长得到的TMDCs单晶进行控制导致了产物可控程度的降低；也有研究者将前驱体改为气体反应物，这样虽然可以提高生成TMDCs单晶的可控性，但是这种方法难以在很大的生长窗口下获得大面积的TMDCs单晶区域。目前，如何设计简单便捷的设备可控地制备高质量大面积的TMDCs单晶成为了研究者们共同关注的问题。

具体地，本发明通过以下技术方案来实现：

本发明首先提供了一种大面积连续制备过渡金属二硫族化合物的化学气相沉积设备，如图1所示，依次包括加热模块1为低温区，加热模块2为高温区，加热模块3为反应区，各加热模块贯通，并可以通入气流。

优选低温区和高温区之间距离范围是15-20cm。高温区和反应区之间距离范围是4-6cm。

本发明提供了三种不同加热方式的加热模块2，分别为：直接对金属通电，以焦耳热方式对其加热(如图2所示)；电感方式非接触加热(如图3所示)；微波加热(如图4所示)。