[发明专利]一种大尺寸具有层间转角的二维单晶叠层的制备方法

说明书

本发明提供了一种大尺寸具有层间转角的二维单晶材料叠层的制备方法，涉及转角石墨烯及其它具有特定转角的二维单晶叠层制备方法。其主要特征为将单晶衬底进行堆叠并旋转特定角度，并在其表面外延二维单晶材料，随后将上下层二维单晶材料进行帖合，除去表面一层单晶衬底即可获得具有特定转角的二维单晶叠层。本发明提出的方法，解决了制备转角二维叠层时界面不洁净、叠层尺寸小、操作复杂等问题。通过非常简单的方法，实现了转角可控的大尺寸二维单晶叠层的快速制备。

技术领域

本发明涉及材料技术领域，具体涉及一种大尺寸具有层间转角的二维单晶叠层的制备方法。

背景技术

二维材料种类丰富，涵盖了导体、半导体、绝缘体、磁体等丰富的体系。由于其原子和电子都被限制在二维平面内，二维材料展现出了许多奇特的性质。以石墨烯为例，由于其独特的结构以及原子结合方式，单晶石墨烯具有一系列的优良性质，包括极高的力学强度与韧性，良好的透光性，以及已知材料中最高的载流子迁移率与饱和电流密度和最高的热导等。因此，二维材料在未来新型功能材料设计制备以及力学与电子学等研究中具有极其诱人的应用前景。

而近年来的研究发现，通过构造二维材料叠层结构，可以实现对表面电子态的有效且精确的调控，构筑全新的材料结构和研究体系。自其被提出以来，科学家已经陆续在二维材料叠层结构中发现了莫特绝缘态、反常超导态、摩尔激子态等一系列新奇的物理现象，为低维材料物性研究和器件开发开辟了广阔的研究空间。在构造二维材料叠层结构中，层间转角是最直接且重要的可调控参数。通过改变二维材料叠层结构的层间转角，可以实现对层间耦合强度及摩尔周期势的调控，进而对材料的性能进行优化提高。

然而到目前为止，二维材料叠层结构的制备大多通过材料生长完成后进行转移或折叠等操作来实现对转角的控制。这些方法通常会存在操作复杂，产率低，条件苛刻等一系列的问题，并且不可避免地将材料表面暴露在外界环境中，导致无法得到大面积强相互作用的洁净接触面。原则上直接生长叠层结构是最理想的构造洁净二维叠层结构的方法，然而直接生长转角可控的大尺寸特定转角二维单晶叠层极具挑战性。因此，一种直接制备大尺寸特定转角二维单晶叠层的全新方法亟待开发，这将为二维叠层结构物性研究和器件应用研发开拓新方向。

发明内容

本发明首次提出一种大尺寸具有层间转角的二维单晶叠层的制备方法。

一种制备大尺寸特定转角二维单晶叠层的方法，将单晶衬底进行堆叠并旋转特定角度，并在其表面外延二维单晶材料，随后将上下层二维单晶材料进行贴合，除去表面一层单晶衬底即可获得特定转角二维单晶叠层。

本发明提供一种大尺寸具有层间转角的二维单晶材料叠层的制备方法，所述方法包括如下步骤：

S1、提供具有一定的层间转角的单晶衬底叠层；

所述单晶衬底叠层包括层叠设置的第一单晶衬底和第二单晶衬底，所述第一单晶衬底位于第二单晶衬底之下；将第二单晶衬底相对于第一单晶衬底旋转一定的角度α以使得所述第一单晶衬底的第一晶向与第二单晶衬底的第二晶向具有层间转角α，其中，所述第一晶向与第二晶向为相同晶向；

S2、在单晶衬底叠层中两个单晶衬底之间相对的表面分别生长二维单晶材料；

将单晶衬底叠层放入化学气相沉积设备中，通入惰性气体与还原性气体，然后开始升温；温度升至700～1100℃时，通入生长所需的气源或加热生长所需的固源，生长时间为1s～48h；生长完成后即在第一单晶衬底的上表面生长第一二维单晶材料，在第二单晶衬底下表面生长第二二维单晶材料，从而使得第一二维单晶材料相对于第二二维单晶材料同样具有所述层间转角α；

S3、将第一二维单晶材料和第二二维单晶材料贴合；

S4、去除第二单晶衬底，即完成大尺寸具有层间转角的二维单晶材料叠层的制备。

可选的是，所述二维单晶材料为石墨烯或氮化硼。