[发明专利]一种大面积单层半导体二维WS2

说明书

本发明公开了一种大面积单层半导体二维WS₂薄膜材料及其制备方法和应用，属于材料技术领域，以WO₃和S作为前驱体，氩气作为载气，通过调节氢气的引入时机，可以有效控制WS₂的成核和生长，实现大面积，层数可控的WS₂的制备。本发明提供的方法，成本低廉，可控性好，重复性强。经过本发明方法制备得到的大面积单层半导体二维WS₂薄膜材料，由于具有大面积、单晶型等特点，能够在光电探测器器件中表现出优异的光响应速度，具有实用价值。

技术领域

本发明属于材料技术领域，特别涉及一种半导体二维WS₂薄膜材料的制备方 法，可用于制作场效应晶体管和光电探测器。

背景技术

WS₂是一种二维层状半导体材料，在室温下表现出较高的荧光量子产率，同 时还具有明显的自旋轨道耦合性，这些优异的性质使得其在电子和光电子器件领 域具有广泛的应用前景。而最终能否走向实际应用取决于大面积单层WS₂是否能 够实现可控制备。目前，二维WS₂材料的制备方法主要包括机械剥离法、液相剥 离法和化学气相沉积法，相比较于前两种方法，化学气相沉积法因为生长效率高， 可控性好，便于大面积合成而成为最为广泛的制备方法。

目前，采用化学气相法制备WS₂通常采用WO₃和S作为前驱体，氩气作为 载气。由于WO₃熔点较高，因此一般需要通入氢气作为还原气体。该方法通常 是在整个体系升温阶段即通入氢气。但由于H₂会使WO₃过早地还原为熔点更高 的WO₂甚至是W，使得整个管式炉体系内产生的蒸气压更小，不利于WS₂进一 步的成核、扩散和生长，因此可重复性较差。针对于这一问题，研究者们提出了 许多改进的方法。Jiadong Zhou等采用加入NaCl的方法形成气态化合物WO₂Cl₂， 从而显著降低了WO₃的熔点，但是这种方法由于加入了额外的物质，因此会对 产生的WS₂样品产生一定的污染(Nature,2018,556,355-359.)；Wencai Ren等利用金箔与S之间的强相互作用，在金箔基底合成了大面积单层WS₂材料，但是金箔 的使用极大地增加了实验成本，不利于WS₂后续的商业化应用(Nat.Commun., 2015,6,8569.)。

因此，发展可控性好、成本低廉且对WS₂样品没有污染的化学气相沉积制备 方法具有十分重要的意义。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种大面积单层半导 体二维WS₂薄膜材料的及其制备方法和应用，能够实现大面积、层数可控的WS₂薄膜材料的制备。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开了一种大面积单层半导体二维WS₂薄膜材料的制备方法，包括： 以WO₃和S作为前驱体，以氩气和氢气作为载气，在固定的生长温度保温10min， 然后停止加热，自然冷却至室温，即制得大面积单层半导体二维WS₂材料，反应 过程中通过改变氢气的引入时机控制WS₂的成核和生长。

优选地，所述的大面积单层半导体二维WS₂薄膜材料的制备方法，包括以下 步骤：

1)取WO₃于反应容器中放置在管状部件的中心位置处，再将该管状部件放 置于高温炉的中心，之后将两片含有二氧化硅层的硅片倒扣于放置WO₃的容器 上；取硫粉置于另一容器中位于管状部件上游距中心15±0.5cm的位置；