一种生长可控的稀土钕掺杂二硒化钼薄膜材料制备方法

摘要

本发明涉及一种钕掺杂二维层状二硒化钼薄膜材料的制备方法，包括以下步骤：首先通过高纯原料钼、硒、钕的化学气相输运反应，制得钕掺杂二硒化钼的多晶体；接着通过压制及烧结，制得钕掺杂二硒化钼的陶瓷靶；将陶瓷靶和清洗过的衬底置入真空腔，通过脉冲激光轰击所制备的陶瓷靶，控制频率、时间、功率等因素，获得不同层数、形貌均匀、面积连续的超薄钕掺杂二硒化钼薄膜光电材料。所制备的材料在近红外区域具有发射光谱，可被用于构筑原子级超薄的光电子器件，如电致发光器件、平板波导、探测器等。

说明书

技术领域

本发明涉及二维材料和脉冲激光沉积制备技术领域，具体涉及一种生长可控的钕掺杂二硒化钼薄膜材料制备方法。

背景技术

二维层状材料材料是一种前瞻性光电子材料，有助于人们实现原子级超薄光电子或电子器件。特别是二维半导体材料二硒化钼凭借优异的光电性能被深入研究。二维层状二硒化钼是由面内共价键结合，层之间依靠微弱范德瓦尔斯力堆积在一起，具有许多新奇的物理特性。从单层到多层的发光特性研究对构筑应用于通信、探测的原子级超薄光电子器件意义重大。然而，目前二维二硫化钨的发光受限于可见和近红外光边缘，限制其广泛应用。同时其制备以机械剥离和化学气相沉积为主，难以实现可控生长制备，生长速度较慢且难以控制。如果能实现超薄二维材料在红外通讯波段发光，有潜力制备应用于通讯的超薄光电子器件。如果能够快速、精确地制备掺杂二维材料，有利于构筑原子级的光电子器件。

稀土离子钕内层的4f电子轨道具有丰富的能级，能够实现近红外区域的多个波段光子发射和吸收，具有高量子产率、长荧光寿命、窄带宽和高稳定性等优点。之前二硒化钼的掺杂研究集中于过渡族金属离子，只能轻微调制发射波长。通过将稀土铒离子引入二硒化钼，可以实现近红外区域的下转移光子发射，有潜力应用于超薄的光电子和光通讯器件。通过脉冲激光沉积法制备，可以精确地控制生长速度和沉积时间，和选择合适的衬底及掩膜版，实现层数、尺寸和形状的可控生长制备，这对构筑原子级的光电子器件意义重大。

发明内容

本发明的目的是提供一种生长可控的钕掺杂二硒化钼薄膜材料制备方法，通过选择衬底和掩膜版，控制脉冲激光沉积频率和时间等，实现厚度、尺寸、形状可控的钕掺杂二硒化钼薄膜的制备。

本发明所采用的技术方案是，一种钕掺杂二维层状二硒化钼薄膜材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，称量200目的高纯金属粉末Mo, Nd和Se，按0.005、0.995和2的摩尔比，置入石英管，抽真空密封；

步骤2，将密封的石英管在400~900 ^oC下烧结5小时以上，制得钕掺杂二硒化钼；

步骤3，加入粘合剂，将制备的掺杂二硒化钼压制成直径为一英寸左右的靶材，并排胶烧结致密；

步骤4，依次用丙酮、乙醇、去离子水清洗衬底并干燥，将衬底置于脉冲激光沉积腔体里，安装上掺杂靶材或掩膜版，抽真空，并加热衬底至400~900 ^oC；

步骤5，控制腔体气压小于5×10^-3>

步骤6，停止脉冲激光，将衬底温度降至室温，得到钕掺杂二硒化钼的薄膜。

本发明的特点还在于：

步骤1中稀土钕可以为其他稀土元素铒、铥、钬等，二硒化钼基质也可以为其他过渡族二硫属化合物，如二硫化钼、二硫化钨等；

步骤2中原材料纯度应高于99.8 %，最好达到99.99 %；

步骤4中衬底为蓝宝石，石英、碳化硅或硅，不同衬底尺寸或加掩膜版可以制备不同面积和形状的掺杂薄膜；

步骤5中调节脉冲激光频率和时间，以及衬底与靶材之间距离，可以控制生长速度，制得不同厚度的掺杂二维薄膜；

本发明提供一种钕离子掺杂二硒化钼二维薄膜的可控制备方法。通过衬底及掩膜版选择，控制脉冲激光沉积频率和时间，实现厚度、尺寸和形貌可控的钕掺杂二硒化钼薄膜的制备。所制备钕掺杂二硒化钼薄膜在808纳米单一波长激发下，具有在900、1064、1350纳米处的近红外下转移光子发射，有潜力应用于超薄光电子和通讯技术。本发明为发展超薄的近红外光电子材料提供了必要的技术和实验支撑。

附图说明

图1为本发明实施例1所得样品的拉曼光谱图；

图2为本发明实施例1所得样品的近红外发射光谱图。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步阐述本发明，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。

实施例1：

第一步，称量200目的高纯金属粉末Mo, Nd和Se，按0.005、0.995和2的摩尔比20 g混匀，置入石英管，抽真空密封；

第二步，将密封的石英管在600 ^oC下烧结8小时以上，制得钕掺杂二硒化钼；

第三步，加入粘合剂5% PVA，将制备的掺杂二硒化钼压制成直径为一英寸左右的靶材，并500 ^oC排胶烧结致密；

第四步，依次用丙酮、乙醇、去离子水清洗一平方厘米的蓝宝石衬底并干燥，将衬底置于脉冲激光沉积腔体里，安装上掺杂靶材，抽真空，并加热衬底至500 ^oC；

第五步，控制腔体气压到1×10^-4>

第六步，停止脉冲激光，将衬底温度降至室温，得到钕掺杂二硒化钼的薄膜，掺杂浓度约0.5 %，一平方厘米连续的五层多晶薄膜。层数可以通过断面透射电镜确定。图1为所制备钕掺杂二硒化钼薄膜的拉曼光谱。在800纳米激光激发下，可以得到钕掺杂薄膜近红外波段的发射光谱，如图2。

实施例2：

第一步，称量200目的高纯金属粉末Mo, Nd和Se，按0.003、0.997和2的摩尔比20 g混匀，置入石英管，抽真空密封；

第二步，将密封的石英管在600 ^oC下烧结8小时以上，制得钕掺杂二硒化钼；

第三步，加入粘合剂5% PVA，将制备的掺杂二硒化钼压制成直径为一英寸左右的靶材，并500 ^oC排胶烧结致密；

第四步，依次用丙酮、乙醇、去离子水清洗1.5平方厘米的蓝宝石衬底并干燥，将衬底置于脉冲激光沉积腔体里，安装上掺杂靶材，抽真空，并加热衬底至500 ^oC；

第五步，控制腔体气压到1×10^-4>

第六步，停止脉冲激光，将衬底温度降至室温，得到钕掺杂二硒化钼的薄膜，掺杂浓度约0.3 %，1.5平方厘米连续的双层多晶薄膜。层数可以通过断面透射电镜或原子力显微镜确定。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。