[发明专利]一种基于表面等离子体波的二维过渡金属二硫化物层数可控制备及图案化的制备方法

说明书

本发明提供一种基于表面等离子体波的二维过渡金属二硫化物层数可控制备及图案化的制备方法，包括以下步骤：采用波长为670nm的激光以全内反射的最大入射角照射在置于水溶液中的样品表面；调控激发表面等离子体波的激光输出功率，得到层数可控的过渡金属二硫化物；所述层数为1层、2层或3层；调控表面等离子体波的传播方向和刻蚀时间，得到图案化的层状过渡金属二硫化物。以二硫化钼为代表性示例，通过调节激发表面等离子体波的光源的输出功率实现二硫化钼的层数控制。同时刻蚀过程取决于表面等离子体波的传播方向，从而实现各种二硫化钼同质结构的图案化。本发明操作简便，对样品污染和损伤极小，处理之后的样品表面完整、洁净。

技术领域

本发明属于二维纳米材料的制备技术领域，尤其涉及一种基于表面等离子体波的二维过渡金属二硫化物层数可控制备及图案化的制备方法。

背景技术

二维过渡金属二硫化物材料因其层数依赖的奇妙特性而成为基础科学研究的热点，尤其是光电子学、自旋电子学以及最近兴起的谷电子学等领域。二维过渡金属二硫化物的层数减小到原子层后会引发电子结构和晶体对称性的显著变化，进而影响其光、电和磁等性质。例如，由于从块材到单层的带隙改变和带间光学选择，在单层MX₂(M＝Mo,W和X＝S,Se)中出现了强的光致发光和谷极化。此外，不同结构对称性的偶数层和奇数层决定了其固有特性。譬如，单层和三层过渡金属二硫化物拥有非中心对称的晶体结构，研究发现它们具有二阶非线性光学性质。因此，精确控制过渡金属二硫化物的层数对于其基本物性探索和应用方向的开拓至关重要。

目前，制备二维过渡金属二硫化物材料最常见方法是机械剥离法、溶液剥离法以及化学气相沉积法。机械剥离法依赖相邻层间的耦合强度，由于层间范德华力较强，使用胶带剥离过渡金属二硫化物难以得到原子层厚度的纳米片。溶剂或锂插层辅助的溶液剥离法通常会引入缺陷和相变(从半导体的2H相转变为金属的1T相)，从而改变材料的固有属性。总体而言，机械剥离法和溶液剥离法得到的产物显示出随机的层数分布，无法从块体材料可控制备所需层数的过渡金属二硫化物纳米片。后续所需复杂的筛选程序和表征手段不仅费时还会使纳米片破坏降解，无法确保准确层数。此外，剥离法制备出的过渡金属二硫化物纳米片的横向尺寸较小，并不总能保证大规模器件的需求。尽管化学气相沉积法是制备二维过渡金属二硫化物材料的普遍方法，但是仍面临难以控制过渡金属二硫化物材料的层数和由晶界带来的多晶层等问题。

因此，可控制备层数可调和大面积的二维过渡金属二硫化物材料仍然是一个巨大的挑战。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于表面等离子体波的二维过渡金属二硫化物层数可控制备及图案化的制备方法，该方法简单，且能可控操作表面等离子体波的氧化能力，能够实现过渡金属二硫化物的图案化。

本发明提供了一种基于表面等离子体波的二维过渡金属二硫化物层数可控制备及图案化的制备方法，包括以下步骤：

采用波长为670nm的激光以全内反射的最大入射角照射在置于水溶液中的过渡金属二硫化物样品表面；

调控激发表面等离子体波的激光输出功率，得到层数可控的过渡金属二硫化物；所述层数为1层、2层或3层；

调控表面等离子体波的传播方向和刻蚀时间，得到图案化的层状过渡金属二硫化物。

优选地，所述激光输出功率为3mW～25mW。

优选地，所述激光输出功率为3mW～6mW，得到三层的过渡金属二硫化物；

所述激光输出功率为8mW～13mW，得到两层的过渡金属二硫化物；

所述激光输出功率为17mW～25mW，得到单层的过渡金属二硫化物。

优选地，所述波长为670nm的激光由等离子体共振显微成像系统控制；