[发明专利]一种掺锡二维硫化钼及其制备方法、应用

说明书

本发明提供一种掺锡二维硫化钼及其制备方法、应用，该制备方法简单易行、可控，按本发明提供的技术方案解决了一种锡掺杂二维硫化钼材料的制备问题，包括安全廉价的制备设备及反应原料获得，简易可行的全程无污染的工艺流程，所获得的材料厚度小于10nm，并且保留了母相的晶体结构，无第二相或合金化，掺杂后二维硫化钼材料光电性能的显著提升，为纳米电子器件和光电功能器件的潜在应用提供了材料基础，符合未来工业化生产需要。

技术领域

本发明属于新型半导体材料制备技术和应用领域，涉及掺锡二维硫化钼，尤其涉及一种简单易行的、可控的掺锡二维硫化钼及其制备方法、应用。

背景技术

石墨烯(Graphene)自2004年被英国曼彻斯特大学的教授Geim课题组经机械剥离获取后，以其奇特的性能引起了广大研究人员的热切关注和强烈的兴趣，被预测有极大可能在纳米电子器件、气体传感器、能量存储及复合材料等众多领域掀起革命性变化。但是，带隙为零的石墨烯做成的晶体管无法进行开关，限制了其在光电子器件以及数字电子器件中的应用。对于该领域来说，半导体才是比较合适的选择。随后在科研人员的努力下，其他类石墨烯的二维材料被相继发掘出来，如过渡金属硫化物和主族金属间化合物等材料同样被继续广泛研究。

当前，全世界科研人员通过利用Geim教授思路，成功将多种范德瓦尔斯层状材料的二维结构制备出来。类石墨烯结构二维材料，其不仅具有各向异性的结构特征，而且还由于其低维度结构使各方面性能表现得更加独特，例如原子厚度的材料表现出量子限域效应。因此，数量庞大的类石墨烯二维结构家族成员已在催化、传感、新型光电器件与集成等诸多方面都展现出了广阔的应用前景。

在已探明的类石墨烯二维结构家族中，二维过渡金属二硫属化物(transitionmetal dichalcogenides)XM₂(其中X代表过渡金属原子，M代表硫族元素)以其半导体性被认为可能成为延续摩尔定律的材料。其包含44种能形成稳定二维结构的化合物，金属为代表的NbTe₂、TaTe₂，半导体为代表的MoS₂、MoSe₂、WS₂，也有超导体NbS₂、NbSe₂、TaS₂等。在众多过渡金属二硫属化物中，二硫化钼(MoS₂)因其在纳米电子器件和光电功能器件等领域潜在的应用前景，是研究比较广泛的材料之一。然而，实际合成的MoS₂材料性能极易受表面介电状态调制，无论是电荷迁移率还是吸收光子能力与理论预测值均存在较大偏差，这对于MoS₂材料的实际应用非常不利，因此，二维材料性能的改善与优化成为其器件应用必须克服的问题。

掺杂是提升半导体材料的有效策略之一。掺杂产生的额外空穴/电子通常会改变其载流子的浓度，从而影响材料中的载流子传输特性，进而提升器件性能，如忆阻器的开关比，PN结界面激子复合效率等。目前为止，世界上已经出现了多种掺杂技术可以有效改进有机半导体，碳纳米管，硅等材料中光电特性，但在二维材料掺杂改性方面的成功案例报道较少，主要挑战是如何在通过掺杂提升二维材料性能的同时又不会引起第二相或合金化。二维半导体材料的掺杂是当前材料科学研究的热点和难点，未来必将持续增加和进一步发展，促进二维材料在各种光电子器件的广泛应用。

随着二维材料器件的发展，各种特殊的、高性能的器件需要也随之不断提出，二维材料的掺杂改性研究作为一种有效的载流子调控手段引起了广大科研人员的密切关注。但目前针对二维材料掺杂的方法并不理想，并且掺杂方法存在着设备昂贵、操作繁琐、成本高企、效率低下等种种问题，无法为将来二维材料器件的工业化生产提供可行的方案。更为重要的是，相对于传统的半导体，二维材料厚度可降至原子层尺度，引入第三种元素极其容易产生第二相，形成合金晶界会形成声子散射中心，影响甚至降低二维材料的光、电性能(Adv.Sci.2020，7，2002172)。