一种利用螺旋外延生长制备金属性二维过渡金属硫族化合物的方法技术

本发明专利技术属于纳米半导体技术领域，具体涉及一种利用螺旋外延生长制备金属性二维过渡金属硫族化合物的方法，采用两步化学气相沉积法可控的螺旋外延生长金属性二维过渡金属硫族化合物，第一步以硫族粉末和金属氧化物为前驱体，氧化硅为衬底，通过倾斜衬底制备螺旋生长的半导体性二维过渡金属硫族化合物；第二步以螺旋生长的半导体性二维过渡金属硫族化合物为衬底，以硫族粉末、金属氧化物和金属粉末为源材料，在螺旋结构上外延生长金属性二维过渡金属硫族化合物。该方法操作简单、重复性高、可控性强，制备出的金属性二维过渡金属硫族化合物具有均匀性好、质量高等优点，在光电探测器、光催化制氢、锂离子电池领域具有重要研究价值和广泛应用前景。和广泛应用前景。和广泛应用前景。

【技术实现步骤摘要】
Y. Xie. Very Large
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Sized Transition Metal Dichalcogenides Monolayers from Fast Exfoliation by Manual Shaking. Journal of the American Chemical Society, 2017, 139, 9019
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9025)、化学气相沉积法（J. Shi, X. Wang, S. Zhang, L. Xiao, Y. Huan, Y. Gong, Z. Zhang, Y. Li, X. Zhou, M. Hong, Q. Fang, Q. Zhang, X. Liu, L. Gu, Z. Liu and Y. Zhang. Two
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dimensional metallic tantalum disulfide as a hydrogen evolution catalyst. Nature Communications. 2017, 8, 958）等。对于机械剥离法虽然可以获得高质量、单层/少层金属性过渡金属硫族化合物，但制备出的纳米片的比表面积相对较小、数量少，不适用于大规模工业化应用；对于碱金属插层剥离法获得的纳米片形貌不均一且结晶性较差，表面缺陷较多。对于传统的化学气相沉积法，所制备的金属性二维材料的形貌不可控，比表面积有限。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种利用螺旋外延生长制备金属性二维过渡金属硫族化合物的方法，采用两步化学气相沉积法来可控的螺旋外延生长二维过渡金属硫族化合物纳米片，第一步通过化学气相沉积法在倾斜的衬底上制备多种螺旋生长的二维过渡金属硫族化合物（如MoS2、MoSe2、WS2、WSe2等），第二步以螺旋生长的二维过渡金属硫族化合物为衬底，外延生长金属性过渡金属硫族化合物纳米片（如TaS2、TaSe2、TaTe2、NbS2、NbSe2、NbTe2、VS2、VSe2、VTe2等）。该方法不但操作简单、重复性高、可控性强，而且制备出的新型螺旋结构的二维金属性过渡金属硫族化合物纳米片的比表面积大、均匀性好、更多边缘和基面的活性位点，可以有效促进电极表面氢气气泡的脱附和释放，从而在场效应晶体管、微纳电子器件、光催化制氢、电催化析氢、锂离子电池等领域中具有重要的研究价值和广泛的应用前景。
[0006]具体地，本专利技术提供以下技术方案：一种二维过渡金属硫族化合物的制备方法，包括：1）提供衬底；2）将所述衬底和第一过渡金属源放置于管式炉的中部温区，且所述衬底正面朝下并倾斜放置于所述第一过渡金属源正上方，将第一硫族元素放置于所述管式炉的上游温区，通入惰性气体，并将所述管式炉进行升温；待所述中部温区升温至第一温度，通入惰性气体与氢气的混合气，并保温第一时间进行化学气相沉积；化学气相沉积结束后，关闭加热，以惰性气体为保护气，自然冷却至室温，即在所述衬底上螺旋生长出二维过渡金属硫族化合物；3）将步骤2）制备得到的带有螺旋生长的二维过渡金属硫族化合物的衬底和第二过渡金属源放置于管式炉的中部温区，且所述衬底正面朝下并水平放置于所述第二过渡金属源正上方，将第二硫族元素放置于所述管式炉的上游温区，通入惰性气体，并将所述管式炉进行升温；待所述中部温区升温至第二温度，通入惰性气体与氢气的混合气，并保温第二时间进行化学气相沉积；化学气相沉积结束后，关闭加热，以惰性气体为保护气，自然冷却至室温，即在带有螺旋生长的二维过渡金属硫族化合物的衬底上外延生长出金属性二维过渡金属硫族化合物。
[0007]金属性二维过渡金属硫族化合物（TaS2、TaSe2、TaTe2、NbS2、NbSe2、NbTe2、VS2、VSe2、
VTe2）由于具有优异的电性能，其催化性能优于传统半导体性的二维过渡金属硫族化合物，而螺旋生长的二维过渡金属硫族化合物具有丰富的活性位点（丰富的台阶），其催化能力优于普通的二维平面生长，目前尚未有通过CVD方法得到螺旋生长的金属性二维过渡金属硫族化合物，本专利技术是利用螺旋生长的半导体性的二维过渡金属硫族化合物作为衬底制备螺旋外延生长金属性二维过渡金属硫族化合物。
[0008]作为优选，步骤2）中，所述衬底相对于水平方向的倾斜度为30
°
~70
°
。本专利技术发现，倾斜度数过低或过高，效果均不佳。
[0009]作为优选，步骤2）中，所述第一温度为900℃~1100℃，更优选所述第一时间为25min~35min。
[0010]作为优选，步骤3）中，所述第二温度为700℃~850℃，更优选所述第二时间为5min~25min。
[0011]本专利技术发现，第二步化学气相沉积的温度需低于第一步化学气相沉积的温度，否则螺旋生长的二维过渡金属硫族化合物存在被氧化刻蚀的可能性。
[0012]作为优选，所述衬底选自二氧化硅、石英片或蓝宝石片。
[0013]作为优选，所述第一过渡金属源选自MoO3、WO3中的至少一种。
[0014]作为优选，所述第二过渡金属源选自氧化钽粉和钽粉的混合物，或氧化铌粉末和铌粉的混合物，或氧化钒粉和钒粉的混合物。
[0015]通过采用上述过渡金属源，所制备的二维材料的导电性不同，第一次化学气相沉积制备的二维过渡金属硫族化合物为传统的半导体性，且可以通过倾斜衬底的方法得到螺旋生长，第二次化学气相沉积制备的二维过渡金属硫族化合物为金属性，目前尚未有通过化学气相沉积法得到螺旋生长的金属性二维过渡金属硫族化合物，本专利技术是利用螺旋生长的半导体性的二维过渡金属硫族化合物作为衬底制备螺旋外延生长的金属性二维过渡金属硫族化合物。
[0016]作为优选，所述第一硫族元素和第二硫族元素可以根据实际制备的二维材料各自独立地选自硫粉，硒粉和碲粉。
[0017]作为优选，任一所述惰性气体各自独立地选自氮气、氦气或氖气。
[0018]本专利技术还提供一种金属性二维过渡金属硫族化合物，其通过上述制备方法制备得到。
[0019]与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：（1）制备工艺简单，本实验只需将源材料放入管式炉、通好载气、调好加温程序便可，因此制备过程相当简单；（2）重复性高，即按照此方法制备的新型螺旋结构的二维金属性过渡金属硫族化合物纳米片的成功率极高；（3）可控性强，即通过选择特定的形貌、尺寸的螺旋结构的二维材料作为衬底可以控制外延生长的二维材料的形貌、尺寸，通过改变沉积时间、蒸发温度、源材料质量等条件来控制纳米片的厚度；（4）合成周期短，此法从加热到反应到最后降温取样，仅需八九个小时，耗时少；（5）结晶性高，本专利技术采用热蒸发法，在高温条件下制备的纳米片，所以得到的材料具有较高的结晶度。
附图说明
[0020]图1为实施例2中二维WS2螺旋生长所用石英管的示意图；其中，1
‑
倾斜的氧化硅衬底，2
‑
氧化钨粉末，3
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硫粉，4
‑
氩气。
[0021]图2为实施例2中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用螺旋外延生长制备金属性二维过渡金属硫族化合物的方法，其特征在于，包括：1）提供衬底；2）将所述衬底和第一过渡金属源放置于管式炉的中部温区，且所述衬底正面朝下并倾斜放置于所述第一过渡金属源正上方，将第一硫族元素放置于所述管式炉的上游温区，通入惰性气体，并将所述管式炉进行升温；待所述中部温区升温至第一温度，通入惰性气体与氢气的混合气，并保温第一时间进行化学气相沉积；化学气相沉积结束后，关闭加热，以惰性气体为保护气，自然冷却至室温，即在所述衬底上螺旋生长出二维过渡金属硫族化合物；3）将步骤2）制备得到的带有螺旋生长的二维过渡金属硫族化合物的衬底和第二过渡金属源放置于管式炉的中部温区，且所述衬底正面朝下并水平放置于所述第二过渡金属源正上方，将第二硫族元素放置于所述管式炉的上游温区，通入惰性气体，并将所述管式炉进行升温；待所述中部温区升温至第二温度，通入惰性气体与氢气的混合气，并保温第二时间进行化学气相沉积；化学气相沉积结束后，关闭加热，以惰性气体为保护气，自然冷却至室温，即在带有螺旋生长的二维过渡金属硫族化合物的衬底上外延生长出金属性二维过渡金属硫族化合物。2.根据权利要求1所述的利用螺旋外延生长制备金属性二维过渡金属硫族化合物的方法，其特征在于，步骤2）中，所述衬底相对于水平方向的倾斜度为30
°
~70
°
。...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟祥敏，乔沛宇，夏静，
申请(专利权)人：中国科学院理化技术研究所，
类型：发明
国别省市：