一种二硒化铂晶体材料及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种二硒化铂二维晶态材料及其制备方法，其步骤包括：1)在真空环境下，将适量高纯度硒蒸发沉积到过渡金属铂基底上；2)进行退火处理，以使覆盖在所述基底表面的硒原子和基底铂原子发生相互作用，形成硒-铂-硒三明治排布的二维有序晶态膜状结构，从而获得二硒化铂晶态材料。这种无机二维晶态材料是过渡金属二硫属化合物家族的新成员，拓展了非碳基二维晶体材料的研究领域，在未来信息电子学及器件开发研究方面具有广泛的应用潜力。本发明通过分子束外延方法生长出了大面积高质量的二硒化铂二维晶态材料，便于进一步研究二硒化铂晶态材料的电子性质及相关应用开发。
【专利说明】—种二砸化铂晶体材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种过渡金属二硫属化合物二维晶态材料及其制备方法，属于纳米材料【技术领域】。
【背景技术】
[0002]石墨烯，作为二维原子晶体材料的经典代表，自2004年被成功地从其母体石墨中剥离出以来，由于其独特的电子和物理性质，十年间成为举世瞩目的研究热点，引发了世界范围内对新型二维晶体材料的探索和研究热潮。石墨烯奇异的物理特性来源于其独特的电子结构:动量空间中K点附近的线性色散关系使得其载流子可以被看作无质量狄拉克费米子，从而带来了一系列全新的物理性质。石墨烯极高的电子迁移率，高机械强度，高热导率，高光透率等优异的物理性质使得其在微纳米器件、传感器、高效转换电池、透明导电膜、太赫兹器件等领域有着重要的应用前景。但是，石墨烯有其天生的缺陷:电子结构中缺少能隙。为克服这种不足而发展起来的方法，如化学修饰，制备纳米带，施加电场等，增加了制备工艺的复杂性并且降低了石墨烯的迁移率。
[0003]石墨烯的优异性能及在应用开发方面所面临的挑战，以及近几年材料制备方法的发展和进步，使得人们开始关注其他类石墨烯性质的新型二维原子晶体材料。过渡金属二硫属化合物就是其中的一类。过渡金属二硫属化合物的化学式通常表示为MX2，其中M代表过渡金属元素，而X表示一种硫族元素(硫，硒和碲)。块体过渡金属二硫属化合物具有和石墨烯类似的层状结构，作为一个大家族，其成员丰富多样，从绝缘体(如二硫化铪)到半导体(如二硫化钥，二硫化钨)，从半金属(如二碲化钨)到纯金属(如二硒化钒)，它们表现出丰富的力学，电学，光学，热学和化学性质。一些特别的过渡金属二硫属化合物(如二硒化铌，二硫化钽)还表现出了包括超导，电荷密度波，莫特转变等一系列奇特的低温现象。若这些块体层状化合物被剥离成几层甚至单层，其主要物理性质被保存、同时还会尺寸降低引起量子限制效应，从而带来一些新奇的物理特性。例如，将二硫化钥的厚度从块体减小到单层时，其电子结构发生了从间接带隙到直接带隙的转变。
[0004]将过渡金属二硫属化合物的新物性付之应用，高质量、原子层厚度、大面积材料的制备是其关键和基础。目前常用的制备方法主要分为自上而下的剥离法和自下而上的合成法。前者包括胶带机械剥离法，液相剥离法，化学插层剥离法等；后者包括化学气相沉积法和化学合成法。
[0005]作为过渡金属二硫属化合物家族中的一员，有理论预言，从块体到单层，二硒化钼材料的电子能带实现了半金属-半导体转变，使其在光催化等领域具有广泛的应用潜力，但是关于其实验制备方法，特别是单层厚度的样品的制备，至今没有报道。作为一种全新的超薄二维晶体材料，二硒化钼的获得是对其进一步物性研究和实际应用的前提和条件。因此，实验上寻找一种制备高质量二硒化钼二维晶态材料的方法显得尤为重要。
【发明内容】
[0006]针对上述现状，本发明提供了一种二硒化钼晶体材料及其制备方法。具体地，本发明公开了一种二硒化钼(PtSe2) 二维晶态材料，其特征在于，硒原子层和钼原子层形成为硒-钼-硒的三明治结构，所述三明治结构在二维平面内周期性扩展。
[0007]本发明还公开了一种上述二硒化钼二维晶态材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤:
[0008]I)在真空环境下，将适量高纯度硒蒸发沉积到过渡金属基底上；
[0009]2)进行退火处理，以使覆盖在所述基底表面的硒原子和基底钼原子发生相互作用，形成硒-钼-硒三明治排布的二维有序晶态膜状结构，从而获得二硒化钼晶态材料。
[0010]进一步地，所用的硒通过物理气相沉积的方法蒸发到所述过渡金属基底上。
[0011]进一步地，用于生长二硒化钼晶态材料的所述过渡金属基底为钼的(111)面。
[0012]进一步地，所述(111)面的形成步骤为:在真空腔内对钼单晶进行氩离子溅射，然后通过将钼基底加热并保持在850°C的高温退火。
[0013]进一步地，步骤2)中的所述退火温度为250°C?400°C。
[0014]进一步地，所述退火温度为300°C。
[0015]进一步地，所述二硒化钼晶态材料在钼的(111)面形成了周期为1.1nm的超结构，该周期性超结构可以被扫描隧道显微镜和低能电子衍射仪所表征。
[0016]进一步地，所述二硒化钼晶态材料最顶层的原子排布可以被扫描隧道显微镜和低能电子衍射仪所表征。
[0017]进一步地，所述二硒化钼晶态材料截面的三明治类型的原子排布可以被扫描透射显微镜所表征。
[0018]该方法所解决的问题是:本发明公开的无机二维晶态材料是过渡金属二硫属化合物家族的新成员，拓展了非碳基二维晶体材料的研究领域，在未来信息电子学及器件开发研究方面具有广泛的应用潜力。本发明通过分子束外延方法生长出了大面积高质量的二硒化钼二维晶态材料，便于进一步研究二硒化钼晶态材料的电子性质及相关应用开发。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为本发明的整体制备过程效果示意图。
[0020]图2为本发明中在钼的(111)表面沉积的高覆盖度硒颗粒的扫描隧道显微镜图像。
[0021]图3为本发明中在钼的(111)面上制备的高质量二硒化钼晶态材料的扫描隧道显微镜图像。
[0022]图4为本发明中样品300°C退火处理后制得的二硒化钼晶态材料的低能电子衍射图案，包括基底钼(点状圆圈标示)，二硒化钼(线状圆圈标示)以及二硒化钼在基底上形成的(4x4)超结构(点线圆圈标示)的衍射斑点。
[0023]图5为本发明中在钼的(111)面上制备的高质量二硒化钼的扫描隧道显微镜原子分辨图像以及对应的原子结构模型。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图对本发明提供的二硒化钼晶体材料及其制备方法的【具体实施方式】做详细说明。
[0025]本实施例是在过渡金属表面制备高质量的二硒化钼二维晶态材料。整体制备过程效果示意图如图1所示。在三维视图中，上部分图示出了本发明中在钼的(111)表面室温沉积的高覆盖度的硒颗粒；下部分图示出了本发明中样品退火处理后在钼的(111)表面生长出的二维有序的二硒化钼晶态材料。在侧面视图中，清楚地表述二硒化钼在基底表面的排布，其中硒原子层和钼原子层形成为硒-钼-硒的三明治结构，所述三明治结构在二维平面内周期性扩展。
[0026]制备所述二硒化钼晶体材料的具体步骤为:首先在真空环境下，将适量高纯度硒蒸发沉积到过渡金属基底上，所用的硒优选是通过物理气相沉积的方法蒸发到过渡金属基底上的，用于生长二硒化钼晶态材料的所述过渡金属基底为钼的(111)面。
[0027]具体地，在真空腔内对钼单晶进行几次或者十几次氩离子溅射，然后通过将钼基底加热并保持在850°C，高温退火得到干净平整的(111)晶面。之后通过石英坩埚蒸发源，将金属硒均匀沉积在干净平整且保持为室温的钼基底表面。硒颗粒在衬底表面呈无规则分布，如图2的扫描隧道显微镜图像所示。将沉积有硒颗粒的样品在250°C?400°C下退火，优选为300°C，上述退火处理使得覆盖在基底表面的硒原子和基底钼原子发生相互作用，形成硒-钼-硒三明治排布的二维有序晶态膜状结构，从而获得二硒化钼晶态材料，这也使得原来沉积在衬底表面的硒颗粒消失了，如图3所示，而在钼基底表面形成了一种周期为1.1nm的超结构，该结构源于退火处理后、在样品表面形成的二维有序二硒化钼晶态材料，该周期性超结构可以被扫描隧道显微镜和低能电子衍射仪所表征，且所述二硒化钼晶态材料的厚度以及截面的三明治类型的原子排布可以被扫描透射显微镜所表征。图4的低能电子衍射图案表明该超结构的存在(点线圆圈所示)。如图5所示,这种周期为1.1nm的超结构对应于硒原子在衬底表面六方密排后形成的二维有序的二硒化钼晶态材料。
[0028]图5还示出了本发明中制备的二硒化钼的原子分辨图像图中呈六方密排分布的亮点是二硒化钼三明治结构中最顶层的硒原子，其周期为0.37nm。原子结构模型精确地表示出了各个原子的具体位置。在图4所示的低能电子衍射图像中，线状圆圈标示的六个斑点也表明了二硒化钼的六方密排原子结构。
[0029]以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种二硒化钼(PtSe2) 二维晶态材料，其特征在于，硒原子层和钼原子层形成为硒-钼-硒的三明治结构，所述三明治结构在二维平面内周期性扩展。
2.一种如权利要求1所述的二硒化钼二维晶态材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤: 1)在真空环境下，将适量高纯度硒蒸发沉积到过渡金属基底上； 2)进行退火处理，以使覆盖在所述基底表面的硒原子和基底钼原子发生相互作用，形成硒-钼-硒三明治排布的二维有序晶态膜状结构，从而获得二硒化钼晶态材料。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所用的硒通过物理气相沉积的方法蒸发到所述过渡金属基底上。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，用于生长二硒化钼晶态材料的所述过渡金属基底为钼的(111)面。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述(111)面的形成步骤为:在真空腔内对钼单晶进行氩离子溅射，然后通过将钼基底加热并保持在850°C的高温退火。
6.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，步骤2)中的所述退火温度为250°C?400。。。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述退火温度为300°C。
8.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述二硒化钼晶态材料在钼的(111)面形成了周期为1.1nm的超结构，该周期性超结构可以被扫描隧道显微镜和低能电子衍射仪所表征。
9.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述二硒化钼晶态材料最顶层的原子排布可以被扫描隧道显微镜和低能电子衍射仪所表征。
10.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述二硒化钼晶态材料截面的三明治类型的原子排布可以被扫描透射显微镜所表征。
【文档编号】C23C14/06GK104233214SQ201410429723
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年8月28日 优先权日:2014年8月28日
【发明者】王业亮, 李林飞, 王裕祺, 高鸿钧 申请人:中国科学院物理研究所