二维纳米材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种层状螺旋WS2:维纳米材料及其制备方法，属于层状二维纳米材料制备技术领域。
技术背景
[0002]硫族过渡金属化合物，如MoS2、MoSe2、WS#P WSe 2，由于其原子级超薄层状结构、独特的光电性质及在集成纳米系统的潜在应用，作为新的二维层状材料已经吸引了广泛的关注。不同于石墨烯材料没有带隙，这些原子级超薄二维层状材料有直接带隙并且在室温激光激发下可以有荧光发射，使其在电学及光电子学上有着极其重要的应用。
[0003]不同带隙的纳米级半导体在块状半导体带隙领域设计上已得到了广泛的应用。在纳米电子学及纳米光子学应用上，获得连续可调带隙的半导体纳米结构是非常重要的。零维和一维三元半导体结构研宄进展表明可通过组分来调谐带隙和光发射，但在原子级超薄二维层状材料上可以通过调节改变材料层数实现带隙可调。
[0004]对于层状WS2而言，其不同的层数的理论带隙值依次分别为1.942eV、1.851eV、
1.752eVU.684eVU.602eV.......同时层状WS2是二维材料发光性能最好材料。所以对于制作可调谐光谱响应的光电器件来说，精确控制这些原子级超薄二维层状材料的层数，即控制带隙是至关重要的。
[0005]二维层状材料的理论计算表明，像多层WS2在室温下热力学性质稳定，并且层数可以连续不断调节。在现有层状WS2的制备方法中，以S与WO 3为原料通过一步化学气相沉积法得到三角形形状、组分单一的WS2薄片，这种组分单一的WS2由于带隙值固定所以在半导体器件应用中受到很多局限。到目前为止，采用合成的方法制备层数可控的多层胃^还未经报道。
【发明内容】
[0006]针对现有技术的不足，本发明提供一种带隙可调的状层螺旋WS2=维纳米材料及其制备方法。解决了现有技术中无法通过一步法合成单一组分光学性能可调的层状WS2M料的难题。
[0007]本发明一种层状螺旋WS2二维纳米材料是通过螺旋位错的生长将相邻的WS 2层连接在一起。
[0008]本发明一种层状螺旋WS2:维纳米材料，所述WS 2层呈三角形。
[0009]本发明一种层状螺旋WS2:维纳米材料，WS 2层的层间距为0.6-0.7nm。
[0010]本发明一种层状螺旋WS2 二维纳米材料，是通过螺旋位错的生长将相邻的WS2层连接在一起构成“金字塔”状。
[0011]本发明一种层状螺旋WS2:维纳米材料，所述层状螺旋WS 2二维纳米材料的厚度为30-40nm。即“金字塔”的高度为30_40nm。
[0012]本发明一种层状螺旋WS2二维纳米材料，所述“金字塔”最底层的尺寸为10-100微米。所述“金字塔”最顶层的尺寸为0.1-0.5微米。
[0013]本发明一种层状螺旋WS2二维纳米材料的制备方法为:
[0014]以胃^粉为原料，将WS2粉装入磁舟I，并将S12片平铺于磁舟2上后，将磁舟I置于水平管式炉的中部，将磁舟2置于水平管式炉中靠近出气口的一端；通入载气，排出炉内空气后，持续通入载气，并升温至磁舟I的加热温度为1000-1100°C，磁舟2的加热温度为700-8000C，优选为700-760°C，进一步优选为700_730°C ;载气将WS2.汽送至S1 2片并沉积得到所述层状螺旋WS2二维纳米材料；载气流速为10-100sccm。
[0015]本发明一种层状螺旋WS2二维纳米材料的制备方法，沉积时，炉内压力为常压。
[0016]本发明一种层状螺旋WS2二维纳米材料的制备方法，沉积时间为1-20分钟；优选为2-15分钟。
[0017]本发明一种层状螺旋WS2二维纳米材料的制备方法，沉积时，载气流速优选为为30_70sccm，进一步优选为 30_60sccm，更一步优选为 30_45sccm,。
[0018]本发明一种层状螺旋WS2二维纳米材料的制备方法，所述载气选自氦气、氖气、氩气中的一种。
[0019]本发明一种层状螺旋WS2二维纳米材料的制备方法，在S12片不同位置上可以收集得到相同螺旋状二维WS2纳米结构。
[0020]本发明一种层状螺旋WS2二维纳米材料的制备方法，由于WS 2熔点较高，要保证WS 2处于高温，否则达不到合成纯组分层状材料的要求。
[0021 ] 本发明一种层状螺旋WS2 二维纳米材料的制备方法，所制备层状螺旋WS 2二维纳米材料是通过螺旋位错的生长将相邻的WSJl连接在一起。
[0022]本发明一种层状螺旋WS2二维纳米材料的制备方法，通过控制沉积时间就能很好的控制所得产品的层数。
[0023]本发明一种层状螺旋WS2 二维纳米材料的制备方法，所制备的层状螺旋WS 2 二维纳米材料在488nm氩离子激光器激发下，薄片的光致发光及拉曼信号随薄片层数的变化而变化。
[0024]原理和优势
[0025]本发明以WS2粉为原料，通过严格控制原料的加热温度从而达到有效的控制它们的蒸发量，载气将WS2-汽送到反应区(所述反应区由小舟和平铺于小舟之上的S12片构成)，由于载气流速、反应腔压力以及原料的蒸发温度控制得当，使得反应腔内WS2-气的饱和度维持在一个合适水平，在该饱和度条件下，WS2蒸气沉积时易产生位错线，当位错线生成有后，后续来的原子更容易在位错地方继续生长(因为这种方式的生长需要能量偏低)，随着原子不断沉积生长，位错线被抬高，随着时间的积累位错线不断在第三个维度被抬高，也就得到了螺旋状二维WS2纳米结构。同时在载气流速、反应腔压力以及原料的蒸发温度的协同作用下，基于胃&的固有属性也就得到了类似“金字塔”二维WS2层状结构。
[0026]本发明的工艺技术简单，控制方便，主要是利用化学气相沉一步合成原子级超薄纯组分带隙可调WS2层状薄片。所获得的样品呈三角形，边长可大至lOOum。在激光激发下，从不同层数纳米片收集的光致发光实现波长可调。所有相同组分的纳米片展示良好的单一带边发射，光谱峰位从638nm连续调节至670nm。这种高结晶度的2维合金纳米结构在近红外波段可调谐纳米级光电器件上将会有重大应用。【附图说明】:
[0027]附图1A为实施例1所制备的二维结构WS2的结构顶视图；
[0028]附图1B为实施例1所制备的二维结构WS2三层时的结构侧视图；
[0029]附图1C为实施例1所制备的二维结构WS2S层结构在螺旋位错驱动下制备螺旋结构WS2二维纳米结构示意图；
[0030]附图2A为实施例1所制备的二维结构WS2的光学显微镜下的形貌图，尺寸大约都在50 μ m左右；
[0031]附图2B为实施例1所制备的二维结构WS2中图2A中一个三角WS2层状薄片的低倍AFM图；
[0032]附图2C为实施例1所制备的二维结构WS2*图2B所选定三角WS 2层状薄片的高倍AFM图；
[0033]附图2D为实施例1所制备的二维结构WS2中图2B中虚线框所限定区域的AFM高度轮廓线图；
[0034]附图2E为沿图2C中虚线扫描，所得的AFM高度轮廓线图；
[0035]附图3a为实施例3所制备的二维结构WSjI旋结构的光学显微镜下某一三角形的形貌图，尺寸大约在50 μ m左右；
[0036]附图3b为实施例3所制备二维结构WSj?、旋结构的荧光光谱二维图；
[0037]附图3c为实施例3所制备二维结构WSj?、旋结构的荧光光谱三维图；
[0038]附图3d为实施例3所制备二维结构WSj?、旋结构不同层数荧光光谱；
[0039]附图3e为实施例3所制备二维结构WSj?、旋结构不同层数拉曼光谱；
[0040]附图4为本发明所用设备及其工作示意图。
[0041]从图1中的结构示意图可以看出WS2是六方结构，要想实现图1C中层状生长转变为螺旋式生长，实验条件的控制尤为重要，必须有位错线的存在。
[0042]从图2A的光学图片可以发现，通过对实验条件的控制，可以成功制备大量分布均匀的螺旋状WSjI旋结构。通过低倍高倍2B.2C的AFM表征可以进一步确定了其是螺旋结构的事实。而且结晶性优良。在材料的顶部也发现了被抬高的位错线。整个样品的厚度在30?50nm之间(图2D)，而且层间距小于I纳米(图2E)，证明了所得材料具有较好的结晶性。从图2E上可以看出所