一种二维材料扭角WS2的制备及二维材料扭角WS2(57)摘要

一种二维材料扭角ws2的制备及二维材料扭角ws2技术领域
1.本发明属于纳米材料领域，涉及一种二维材料扭角ws2的制备及二维材料扭角ws2。


背景技术：

2.ws2是具有层状结构的过渡金属硫族化合物，具有类石墨烯层状结构。单层ws2由三层原子构成，钨原子和硫原子的平面都呈六角阵列方式排列，钨原子夹在两层硫原子之间，形成了具有“三明治”构的s-w-s原子层结构。钨原子分别与上下两层临近的三个硫原子以共价键相结合。同样的，每个硫原子分别与三个钨原子以共价键相结合，形成三棱锥位。多层或者块状ws2由单层堆叠而成。ws2具有独特的二维层状结构，导致其具有优异的力学性能、电学性能、光学性能独特的理化性能。其中化学气相沉积法对ws2在半导体性能方面的应用具有重大意义，是目前公认的最有前景的ws2的制备方法。近年来，研究者们对ws2的研究逐渐增加，但通过cvd法一步制备扭角ws2材料的研究相对有限。为此，发明人经过潜心研究，发明了一种通过一步cvd法来制备二维材料扭角ws2，并获得了二维材料扭角ws2。


技术实现要素：

3.本发明提供了一种一步cvd法二维材料扭角ws2的制备及二维材料扭角ws2。实验工艺过程简单，原料易于获取，制备出的扭角ws2具有清洁的表面、质量高，莫尔角分布范围广。
4.为达到上述目的，本发明采取的技术方案包括：
5.一种二维材料扭角ws2的制备方法，以二氧化硅/硅片为衬底，在所述衬底的二氧化硅面采用化学气相沉积法进行二维材料扭角ws2的生长；生长容器为石英管，石英管内的载气为惰性气体；按照载气的流向，在所述的石英管内放置硫源，硫源的下游设置两端开口的石英试管，石英试管内放置钨源和衬底；所述载气的流量为50～180sccm；化学气相沉积的反应温度为750～850℃。
6.可选的，所述的二氧化硅/硅片衬底有两片，两个二氧化硅/硅片衬底的二氧化硅面分别向上或向下背对叠放，在衬底前0.5cm位置放置钨源。
7.可选的，所述的钨源为三氧化钨粉末或氯化钨粉末；所述的硫源为s粉末；所述的钨源用量为10～40mg，硫源足量。
8.可选的，所述的钨源添加nacl，nacl的添加量为1～4mg。
9.可选的，所述的载气的升温速率为10～50℃/min。
10.可选的，所述的钨源和硫源相距3～8cm。
11.可选的，所述的化学气相沉积的生长时间为5～30min。
12.优选的，一种二维材料扭角ws2的制备方法，具体包括：
13.(1)二氧化硅/硅衬底裁剪成0.9cm*3cm的片状，二氧化硅面背对叠放在内部两端开口的内径为10mm的石英试管中；
14.(2)20mg的钨源放在衬底前0.5cm处的石英试管中，并添加1mg的氯化钠；
15.(3)石英试管放入内径为25mm的石英管中，钨源端靠近石英管的进气口，硫源与钨源相距4cm，在管式气氛炉中加热进行二维材料扭角ws2的化学气相沉积。
16.一种二维材料扭角ws2，所述二维材料扭角ws2采用本发明任一所述的二维材料扭角ws2的制备方法制备得到。
17.本发明的优点：
18.本发明成功制备出了表面均匀，无污染，质量高的二维材料扭角ws2，制备过程简单，易于操作。
附图说明
19.附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：
20.图1为本发明中实施例及对比例的实验制备示意图；
21.图2为本发明中实施例1的光学显微镜照片；
22.图3为本发明中实施例1的raman图谱；
23.图4为本发明中实施例1的光致发光光谱；
24.图5为本发明中实施例2的光学显微镜照片；
25.图6为本发明中实施例2的raman图谱；
26.图7为本发明中实施例2的光致发光光谱；
27.图8为本发明中实施例3的光学显微镜照片；
28.图9为本发明中实施例3的raman图谱；
29.图10为本发明中实施例3的光致发光光谱；
30.图11为本发明中对比例1的光学显微镜照片；
31.图12为本发明中对比例1的raman图谱；
32.以下结合说明书附图和具体实施方式对本发明做具体说明。
具体实施方式
33.为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例对本发明进行进一步详细说明，并通过对对比例的分析来体现本发明的优势。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
34.本发明所制备的扭角ws2，采用化学气相沉积法直接在二氧化硅/硅衬底上生长。通过控制反应源的比例，反应温度，反应时间、氩气流速等因素获得了二维材料扭角ws2材料，工艺简单，成本低廉。
35.本发明的二维材料扭角ws2的制备方法，以二氧化硅/硅片为衬底，在所述衬底的二氧化硅面采用化学气相沉积法进行二维材料扭角ws2的生长；生长容器为石英管，石英管内的载气为惰性气体；按照载气的流向，在所述的石英管内放置硫源，硫源的下游设置两端开口的石英试管，石英试管内放置钨源和衬底；所述载气的流量为50～180sccm；化学气相沉积的反应温度为750～850℃。通过实验发现，利用本发明给出的原料和工艺条件，需要在两端开口的石英试管内进行化学气相沉积反应，才能得到二维材料扭角ws2，不采用两端开口的石英试管做为腔体，在其他条件不变的情况下，在衬底上制备的材料为单层或者多层
ws2，层与层之间不会发生扭转，衬底上不会生成二维材料扭角ws2。
36.下述实验中，如无特殊说明，所用原料均为市售，所用方法均为本领域常规实验方法。
37.实施例一：
38.本实施例给出一种在二氧化硅/硅衬底上制备二维材料扭角ws2的方法，包括以下步骤：
39.步骤一：将二氧化硅/硅衬底裁剪成0.9
×
3cm的片状并用气枪吹净，二氧化硅面背对叠放在两端开口、内径为10mm的石英试管中。
40.步骤二：添加20mg三氧化钨粉末放在衬底前端0.5cm处，并向三氧化钨粉末中添加1mg的nacl。
41.步骤三：将石英试管放入外径为25mm的石英管中，添加三氧化钨粉末和nacl的一端靠近进气口，s源与钨源相距4cm，在管式气氛炉加热中心位置中加热进行二维材料扭角ws2的化学气相沉积，如图1a所示。
42.步骤四：通入200sccm的氩气进行洗气，通气时间为30min，以彻底清除管中残留氧气。然后继续通入80sccm的氩气，以30℃/min的升温速率将管式气氛炉加热至820℃，保温5min。随后关闭加热器，自然冷却至室温，此时获得的二维材料扭角ws2光学照片如图2所示。由图2光学照片可知，制备的材料是扭角ws2，莫尔角在36.5
°
。拉曼光谱如图3所示，1、2位置的均具有ws2的拉曼特征峰，表明制备的材料是ws2。扭角ws2的光致发光光谱如图4所示，其中，位置1的发光峰位于638nm，位置2的发光峰位于642nm，且位置1的发光峰强度大于位置2。表明双层的扭角结构引起了体系能带结构发生变化，并引起了光致发光强度衰减。
43.实施例二：
44.本实施例给出一种在二氧化硅/硅衬底上制备二维材料扭角ws2的方法，包括以下步骤：
45.步骤一：将二氧化硅/硅衬底裁剪成0.9
×
3cm的片状并用气枪吹净，二氧化硅面背对叠放在两端开口、内径为10mm的石英试管中。
46.步骤二：添加30mg三氧化钨粉末放在衬底前端0.5cm处，并向三氧化钨粉末中添加1.5mg的nacl。
47.步骤三：将石英试管放入外径为25mm的石英管中，添加三氧化钨粉末和nacl的一端靠近进气口，s源与钨源相距4cm，在管式气氛炉加热中心位置中加热进行二维材料扭角ws2的化学气相沉积，如图1a所示。
48.步骤四：通入200sccm的氩气进行洗气，通气时间为30min，以彻底清除管中残留氧气。然后继续通入60sccm的氩气，以30℃/min的升温速率将管式气氛炉加热至820℃，，保温5min。随后关闭加热器，自然冷却至室温，此时获得的二维材料扭角ws2光学照片如图5所示，由图5光学照片可知，制备的材料是扭角ws2，莫尔角在44.3
°
。拉曼光谱如图6所示，1、2位置的均具有ws2的拉曼特征峰，表明制备的材料是ws2。扭角ws2的光致发光光谱如图7所示，其中，位置1的发光峰位于634nm，位置2的发光峰位于633nm，且位置1的发光峰强度大于位置2。表明双层的扭角结构引起了体系能带结构发生变化，并引起了光致发光强度衰减。
49.实施例三：
50.本实施例给出一种在二氧化硅/硅衬底上制备二维材料扭角ws2的方法，包括以下
步骤：
51.步骤一：将二氧化硅/硅衬底裁剪成1.0
×
3.2m的片状并用气枪吹净，二氧化硅面背对叠放在两端开口、内径为10mm的石英试管中。
52.步骤二：添加20mg三氧化钨粉末放在衬底前端0.5cm处，并向三氧化钨粉末中掺入1mg的nacl。
53.步骤三：将石英试管放入内径为20mm的石英管中，添加三氧化钨粉末和nacl的一端靠近进气口，s源与钨源相距4cm，在管式气氛炉加热中心位置中加热进行二维材料扭角ws2的化学气相沉积，如图1a所示。
54.步骤四：通入200sccm的氩气进行洗气，通气时间为30min，以彻底清除管中残留氧气。然后继续通入80sccm的氩气，以28℃/min的升温速率将管式气氛炉加热至800℃，保温10min。随后关闭加热器，自然冷却至室温，此时获得的二维材料扭角ws2光学照片如图8所示，由图8光学照片可知，制备的材料是二维材料扭角ws2，莫尔角在88.5
°
。拉曼光谱如图9所示，1、2位置的均具有ws2的拉曼特征峰，表明制备的材料是ws2。扭角ws2的光致发光光谱如图10所示，其中，位置1的发光峰位于632nm，位置2的发光峰位于638nm，且位置1的发光峰强度大于位置2。表明双层的扭角结构引起了体系能带结构发生变化，并引起了光致发光强度衰减。
55.对比例一：
56.本对比例给出一种不使用两端开口的石英试管来制备材料的方法，包括以下步骤：
57.步骤一：将二氧化硅/硅衬底裁剪成0.9
×
3cm的片状并用气枪吹净，二氧化硅面背对叠放在石英坩埚上。
58.步骤二：添加30mg三氧化钨粉末放在衬底前端0.5cm处，并向三氧化钨粉末中掺入1.5mg的nacl。
59.步骤三：将石英坩埚放入内径为20mm的石英管中，添加三氧化钨粉末和nacl的一端靠近进气口，s源与钨源相距4cm，直接放置在管式气氛炉加热中心位置，如图1b所示。
60.步骤四：与实施例二相同，此时获得的ws2光学照片如图11所示，拉曼光谱如图12所示。
61.与实施例二对比可以显示，不采用两端开口的石英试管做为腔体，在其他条件不变的情况下，在衬底上制备的材料为单层或者多层ws2，层与层之间不会发生扭转，衬底上不会生成二维材料扭角ws2。
62.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。