一种制备过渡金属硫化物的金属与半导体异质结结构的方法

摘要

本发明属于材料制备技术领域，特别涉及基于过渡金属硫化物的金属与半导体异质结的制备方法。本发明通过两步CVD的方法制备金属与半导体异质结结构，通过传统方法首先制备WS

说明书

技术领域

本发明属于材料制备技术领域，特别涉及一种制备过渡金属硫化物的金属与半导体异质结结构的方法。

背景技术

随着二维过渡金属硫化物异质结结构的不断发展，其独特的物理性质，光伏性能逐渐被发现和应用，基于二维材料的种类和异质结结构特点，可包括p-n型异质结结构，1T-1H异质结结构，金属-半导体异质结结构。在金属性过渡金属硫化物中，二硫化钒和二硫化铌是典型代表。

有研究表明，通过CVD的方式合成纳米厚度的二硫化钒晶体后，将其转移到单层二硫化钼上，可直接作为电极材料用于制备器件，且与金电极相比与半导体能够更好地接触。但是这种方法在器件制备过程中存在操作困难，效率低及不可控性。

发明内容

鉴于现有技术存在的问题，本发明提供了一种制备过渡金属硫化物的金属与半导体异质结结构的方法。通过调控CVD生长的条件，实现了制备NbS₂-WS₂这种金属与半导体与金属异质结结构的方法，且能够控制金属型的NbS₂选择性地生长在WS₂的边缘，为过渡金属二硫化物的可控定位生长提供了新的思路。

本发明通过以下技术方案来实现，一种制备过渡金属硫化物的金属与半导体异质结结构的方法：

所述方法在石英管中进行，石英管分为区域1和2，分别是CVD的高温区和低温区，所述步骤包括：

(1)、首先，采用传统制备方法制备二硫化坞单层结构，得到以单抛石英片为基底的三角形的单层WS₂晶体；

(2)、将步骤(1)中得到的WS₂材料置于干燥石英舟上，并放于石英管中部高温区，在距离WS₂上端20厘米的距离放置过量硫粉，然后通过500sccm的氩气将体系中大部分空气和水汽排出；

(3)、然后在氩气保护下的手套箱中称量30mg NbCl₅，由于NbCl₅在空气中极易吸收水分而发生分解，因此需首先将其密封在5ml的离心管中，再从手套箱中取出；

(4)、快速将NbCl₅倒入事先清洗并干燥的石英舟内，并于30s内送入石英管中，置于是硫粉的上端，然后继续采用500sccm氩气排除体系内空气10分钟；

(5)、体系末端依次连接防倒吸装置和尾气吸收装置，炉子高温区设置25℃/min的升温速度，在200℃保持10min，生长温度设置为750℃，持续15min，石英管中心650℃左右时采用加热带同时加热硫粉和NbCl₅到190℃，高温区和低温区的升温和冷却常压下进行，升温及生长过程采用100sccm氩气与5sccm氢气，生长结束后改用100sccm氩气，打开炉体直到体系温度降低到100℃以下，可取出样品。

其中，硫粉和NbCl₅依次置于炉体中心的上端，距离WS₂约20厘米，硫粉和NbCl₅之间相距3-5厘米。

优选NbCl₅在称量和加入过程中不被水解。

优选H₂/Ar的生长过程中混合气氛H₂和Ar体积比范围为0.02-0.05。

本发明采用前述方法制备并得到基于NbS₂-WS₂的金属与半导体异质结结构，拉曼与PL光谱表征了异质结结构中边缘区域为3R-NbS₂，中心区域为单层WS₂。

本发明相对于现有技术的有益效果包括：

本发明通过两步CVD的方法制备金属与半导体异质结结构，实现了金属性的NbS₂在单层WS₂边缘的定位生长，为过渡金属硫化物的金属与半导体异质结结构的制备提供了新的思路，为电子器件的制备提供了便利。。

附图说明

图1为CVD生长的设备示意图，图中部件1、2、3和4，区域1和2分别是CVD的高温区和低温区，1为单层WS2样品，2为S粉，3为NbCl₅，1为蓝宝石衬底，4为Ar和H₂的混合气体。

图2为制备得到的金属与半导体异质结的光学显微镜图及各区域对应的荧光和拉曼谱，其中2(a)为异质结结构的光学显微镜图，2(b)和2(c)分别为中心区域单层WS₂的荧光光学谱图与拉曼谱图，2(d)外延区域NbS₂的拉曼谱图。

图3为异质结结构各区域的特征峰拉曼强度绘图，3(a)为WS₂特征峰355cm^-1位置的拉曼强度绘图，3(b)为NbS₂特征峰383cm^-1位置的拉曼强度绘图。

具体实施方式

下面结合优选实施方式和附图对本发明作进一步详细的描述，但发明的实施方式不限于此。

实施例

采用如图1的CVD生长的设备，图中部件1、2、3和4，区域1和2分别是CVD的高温区和低温区，1为单层WS₂样品，2为S粉，3为NbCl₅，1为蓝宝石衬底，4为Ar和H₂的混合气体。

包括以下步骤：

(1)、首先，采用传统制备方法制备二硫化坞单层结构，得到以单抛石英片为基底的三角形的单层WS₂晶体；

(2)、将步骤(1)中得到的WS₂材料置于干燥石英舟上，并放于石英管中部高温区，在距离WS₂上端20厘米的距离放置过量硫粉，然后通过500sccm的氩气将体系中大部分空气和水汽排出；

(3)、然后在氩气保护下的手套箱中称量30mg NbCl₅，由于NbCl₅在空气中极易吸收水分而发生分解，因此需首先将其密封在5ml的离心管中，再从手套箱中取出；

(4)、快速将NbCl₅倒入事先清洗并干燥的石英舟内，并于30s内送入石英管中，置于是硫粉的上端，然后继续采用500sccm氩气排除体系内空气10min；

(5)、体系末端依次连接防倒吸装置和尾气吸收装置，炉子高温区设置25℃/min的升温速度，在200℃保持10min，生长温度设置为750℃，持续15min，石英管中心650℃左右时采用加热带同时加热硫粉和NbCl₅到190℃，高温区和低温区的升温和冷却常压下进行，升温及生长过程采用100sccm氩气与5sccm>2，生长结束后改用100sccm氩气，打开炉体直到体系温度降低到100℃以下，可取出样品。

利用光学显微镜及拉曼设备对制备得到的样品进行表征，结果如下图2和图3。如图2(a)所示，三角形区域中心与边缘区域在光学显微镜下呈现不同的颜色，预示各区域代表不同的过渡金属硫化物，边缘宽度大于1微米，可采取拉曼光谱分析表征各区域。采用WITEC拉曼光谱仪对样品的荧光发射及拉曼特征进行了表征，图2(b)为中心区域的拉曼图谱，位于355cm^-1左右和420cm^-1左右的峰分别对应单层WS₂的E_2g振动模和A_1g振动模。图2(c)为中心区域荧光光谱，在626nm处有较强的荧光发射。图2(d)为边缘区域的拉曼图谱，位于328cm^-1左右和383cm^-1左右的峰分别对应3R-NbS₂的E_2g振动模和A_1g振动模。图3(a)为WS₂的拉曼特征峰对应的拉曼强度绘图，图3(b)为NbS₂的拉曼特征峰对应的拉曼强度绘图，该绘图与光学显微镜图可以很好地对应，表明金属性过渡金属硫化物NbS₂可以选择性地定位生长在WS₂边缘。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。