一种大面积薄层二维碲烯的制备方法与流程

本发明属于二维薄层材料的制备领域，具体涉及一种大面积薄层二维碲烯的制备方法。

背景技术：

碲烯因具有独特的能带结构与材料特性，近年来成为备受关注的新型二维材料。这一材料能带结构呈现出强烈的层数依赖性，单层碲烯具有间接带隙结构，带隙大小~1ev，而体块碲则具有~0.35ev的间接带隙。此外，碲还表现出诸多优异的性质，如较高的迁移率与开关比以及良好的光电导率、热电性、非线性光学响应与稳定性等，在传感器、电子器件及催化领域展示出巨大的应用前景。

推进碲烯实用化的关键在于实现大面积二维碲烯薄膜的可控制备。制备碲烯方法主要包括晶体剥离法、溶剂热合成法、物理气相沉积、分子束外延法等，但目前以上方法制备得到的碲烯均存在层数难以控制、横向尺寸较小等问题，因此本发明主要通过改进常规的物理气相沉积法，提出限域空间内沉积的方法，制备得到大面积、层数均一的二维碲烯薄膜。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术方法的不足，以一种新型的限域物理气相沉积方法实现了大面积二维碲烯的制备，该制备工艺简便易实施，获得的碲烯薄膜的面积较大，可达1-3mm²，适用于电子器件等方面的应用。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种大面积薄层二维碲烯的制备方法，包括以下步骤：

（1）取少量碲粉在研钵中充分研磨

（2）将研磨好的碲粉取少量放置在sio2/si基底上，放置成1-4列，再放置另一片sio2/si基底覆盖于碲粉上；

（3）将步骤（2）中的碲粉/基底承载在清洗好的石英舟中，而后一并放置在管式炉中心温区进行高温退火，进而得到大面积的薄层二维碲烯。

具体步骤如下：

（1）称取0.1g碲粉在玛瑙研钵中充分研磨至没有颗粒感；

（2）用硅片刀切割2片sio2/si基底，每片基底大小约1.2×0.8-1.6×0.8cm，用氮气枪喷出的氮气气流清除基底表面颗粒杂质，再依次利用丙酮、乙醇、异丙醇清洗基底表面的有机污染物，称取2-20mg步骤（1）中磨好的碲粉，分2-4列放置在基底上，将另一片基底覆盖在放有粉末的基底上；

（3）将石英舟依次在乙醇、去离子水中超声清洗10-15min，烘干后使用，将步骤（2）中的两片重叠的基底放置在石英舟中，整个石英舟放置在管式炉的中心温区，sio2/si基底对准中心温区的热电偶，整个过程在氩气氛围下进行，氩气流速为100sccm，通入氩气15min以排尽管内空气，设置程序为20℃/min升温至700-800℃，保温10-40min，随后自然降温，在300℃以下打开炉门，待冷却至70℃以下关闭氩气并取出样品。

步骤（2）中相邻两列碲粉间隔约2-4mm，两片基底抛光面相对放置，上层基底长度略大于下层基底，石英舟上放置的基底对准中心温区的热电偶。

本发明的显著优点在于：

本发明基于物理气相沉积法，利用两片基底相对放置构建空间限域的生长环境，以熔点较低的碲粉为碲源并直接放置在限域空间内，在高于碲熔点的温度下，碲气化时会由于上基片的阻挡而被大部分限制在限域空间内，直接在基底上生长出大面积薄层的二维碲烯。限域空间的构建为碲烯生长创造了更稳定与可控的生长环境，生长室内前驱体浓度提高、流速降低、分布均匀，均有利于制备均匀、结晶性良好的碲烯，制备得到的二维碲烯面积可达1-3mm²，并且，该方法原材料易得，制备工艺简单，有助于推进碲烯的性能与应用研究。

附图说明

图1是所合成的二维碲烯10倍下的光学显微镜图；

图2是所合成的二维碲烯40倍下的光学显微镜图；

图3是图2对应的拉曼光谱图谱；

图4是光学显微镜图像a）及对应的拉曼mapping图像b）；

图5为图4所对应的的位置-拉曼强度三维图像。

具体实施方式：

本发明用下列实施例来进一步说明本发明，但本发明的保护范围并不限于下列实施例。

实施例1

取0.1g碲粉放入玛瑙研钵中，研磨12min备用，用硅片刀切割sio2/si基底得到1.5×0.8cm和1.2×0.8cm两片硅片，取约2mg碲粉放在尺寸较小的一片硅片上，分为两列放置，两列间隔3mm，将1.5×0.8cm的硅片盖在较小的硅片上，两片硅片抛光面相对，将两片重叠的基底放置在用乙醇、去离子水超声清洗10min并在烘箱中烘干的石英舟上，将石英舟推入管式炉的管子中，石英舟上的硅片置于中心温区，将管子两端法兰拧紧，保证气路的密封，设置氩气气流量为100sccm，通入气体15min以排尽管内空气，在此期间设置炉子升温程序为以20℃/min升温至750℃，保温25min，在程序运行结束降温至280℃时打开炉门，在70℃时关闭氩气，取出样品。

图1为生长后的基底在10倍下的光学显微镜图像，深色部分为生长的碲烯，图1中靠右侧斜向下的浅色部分为基底sio2(用镊子刮去表面生长的碲烯，从而裸露出基底)，从图中可以看出该区域横向尺寸约为2.2mm，实现了大面积的生长。图2为40倍下的光学显微镜图像，由图片可见该区域颜色均匀，说明生长的碲烯薄膜比较均匀。图3为图2中对应的9个区域的拉曼光谱图谱，拉曼峰的峰位在127cm^-1，141cm^-1，与文献中报道的125cm^-1，143cm^-1基本吻合，说明实验合成了碲烯，由9个区域中各点的拉曼图谱可见该物质特征峰的峰强和峰位基本一致，进一步说明了生长的碲烯薄膜均匀性、结晶性较好。图4是光学显微镜图像及其对应的拉曼mapping图像，图4中b)的面积范围为100µm×100µm,其中浅灰色区域为生长的碲烯，深色区域为基底，从图可以看出浅灰色部分颜色均匀，证实了生长的碲烯薄膜比较均匀。图5为图4位置所对应的三维图像，该图为以碲烯的峰强为基准所得的三维图像，视角为图4中b)向右旋转45°，横坐标用于标定位置，代表从图4中b)左下角到右上角此方向各位置，图中强度较高的水平区域对应于图4中a)灰色区域生长的碲烯，强度较低的凹槽底部区域则为基底。从以上图例可以说明通过构建空间限域的生长环境生成了面积大、层数均一、结晶性较好的二维碲烯薄膜。

实施例2

取0.1g碲粉放入玛瑙研钵中，研磨15min备用，用硅片刀切割1.5×0.8cm和1.2×0.8cm两片硅片，取约9mg碲粉放在尺寸较小的一片硅片上，分为三列放置，相邻两列间隔3mm，将1.5×0.8cm的硅片盖在较小的硅片上，两片硅片抛光面相对，将两片重叠的基底放置在用乙醇、去离子水超声清洗15min并在烘箱中烘干的石英舟上，将石英舟推入管式炉的管子中，硅片放置在中心温区，将管子两端法兰拧紧，设置氩气气流量为100sccm，通入气体15min以排尽管内空气，在此期间设置炉子升温程序为以20℃/min升温至750℃，保温25min，在程序运行结束降温至250℃时打开炉门，在40℃时关闭氩气，取出样品。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。