一种碲化锑-二硫化钨垂直异质结纳米材料及其制备方法

本发明属于无机纳米半导体材料领域，具体涉及一种碲化锑-二硫化钨垂直异质结纳米材料的制备方法。

背景技术：

1、二维层状半导体材料，特别是过渡金属硫族化合物（tmds），由于其超薄的结构、单层直接带隙、大的激子束缚能、室温光发射和谷电子特性等优异的光电性质，以及在未来集成光电子器件方面的潜在应用，吸引了广泛的关注。

2、相比于机械剥离再堆叠的方法，气相沉积法合成的二维层状异质结具有干净的异质界面、高效的层间电荷转移效率和较大的异质界面接触面积等优势，因此，近年来，cvd法制备二维p-n垂直异质结逐渐成为研究热点。由于大多数tmds材料都是n型半导体，缺少室温下稳定存在的p型半导体，导致异质结构筑类型单一。因此，设计基于type-ii能带结构的二维p-n垂直异质结高性能光电器件仍然是一个巨大的挑战。

3、近年来，层状sb2te3材料因其具有窄带隙（~0.3 ev）、无毒、结构稳定、成分丰富、载流子浓度高（1019-1020cm-3）和载流子迁移率高（200 cm2v-1s-1）等优点受到了科研工作者的关注。显然，sb2te3与tmds半导体的集成将大大提高制备的范德瓦尔斯异质结构的电学性能。此外，目前所报道的tmds多为n型半导体，因此结合p型sb2te3和n型ws2的优点，制备二维p-sb2te3/n-ws2垂直异质结（type-ii能带结构），不仅拓展二维垂直异质结的应用，而且还可构建高效多功能光探测器。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种具有优异光电转换性能sb2te3-ws2垂直异质结纳米材料，以实现了ws2发光强度的有效增强。

2、本发明的另一目的在于提供一种sb2te3-ws2垂直异质结纳米材料的制备方法，以实现sb2te3-ws2垂直异质结纳米材料的快速制备。

3、一、sb2te3-ws2垂直异质结纳米材料的制备

4、1）ws2层制备：将清洗干净的sio2/si基底平扣在装有wo3粉末的陶瓷舟上方，然后将陶瓷舟放入管式炉中心温区，通入氩气置换出管式炉内空气后，升温至950~1000℃并通入15~20sccm的h2s气体进行化学气相沉积反应2~5 min，反应结束后，停止通入h2s气体，并迅速将管式炉冷却至室温，得到生长有ws2层的sio2/si基底；

5、2）sb2te3-ws2制备：将生长有ws2层的sio2/si基底正面朝上置于石英舟中，并缓慢将其置于管式炉的中心温区下游；随后将sb2te3粉末放入另一石英舟中，并置于管式炉的中心温区，升温至500~600℃进行化学气相沉积反应1~2min，反应过程中，以氩气为载气，载气的流量为50~80sccm；待反应结束后，迅速将管式炉冷却至室温，即得sb2te3-ws2垂直异质结纳米材料。

6、上述步骤1）和步骤2）中，在化学气相沉积反应前，先采用氩气置换空气，置换过程中，通入氩气的流量为300~500 sccm，通入氩气的时间为15~20min。

7、上述方法制备的sb2te3-ws2垂直异质结纳米材料为垂直堆叠层状结构，其中底层为ws2层，底层上堆叠sb2te3层；所述ws2层为具有三角形形状的单层单晶纳米片，所述sb2te3层为随着生长温度的升高或生长时间的延长，在ws2层上覆盖的具有多边形形状的单晶纳米片。

8、所述ws2层中，单晶纳米片为六方晶系层状结构；单晶纳米片的平面尺寸为20~50μm，单层厚度约为0.7~0.9nm。

9、所述sb2te3层中单晶纳米片为三方晶体结构，厚度为0.8~2.1 nm。

10、所述sb2te3层在垂直方向投影的面积小于所述ws2层在垂直方向投影的面积，sb2te3层覆盖率为30%~70%。

11、二、sb2te3-ws2垂直异质结纳米材料的结构表征

12、用光学显微镜对本发明实施例1所制备的二维纳米ws2和sb2te3/ws2垂直异质结晶体材料进行表面形貌表征，结果见图2。其中图2a为实施例1所制备的单层ws2光学照片，图2b为本发明实施例1所制备的sb2te3-ws2垂直异质结纳米材料的光学照片。从图2a中可以看到二维纳米ws2材料的形状一致，且呈现三角形，边长约为30~35 μm。从图2b可以看出，当中心温度为500℃时，sb2te3材料并无规则形貌，可以从ws2材料一角生长，也可以从中间生长。

13、用扫描电子显微镜（sem）对本发明实施例2所制备的单层ws2和sb2te3-ws2垂直异质结纳米材料进行表面形貌表征，结果见图3。其图3a为本发明实施例2所制备的单层ws2的sem照片，图3b为本发明实施例2所制备的sb2te3-ws2垂直异质结纳米材料的sem照片；从图3a中可以看到二维纳米ws2材料的形状一致，且呈现三角形，边长约为30μm。从图3b可以看出，当中心温度为550℃时，sb2te3材料并无规则形貌，在ws2材料上面覆盖约为30%~70%。

14、用原子力显微镜（afm）对本发明实施例3所制备的单层ws2和sb2te3-ws2垂直异质结纳米材料进行表面形貌表征，结果见图4。其中图4a为本发明实施例3所制备的单层ws2的afm照片，图4b为本发明实施例所制备的sb2te3-ws2垂直异质结纳米材料的afm照片；从图4a中可以看到二维纳米ws2材料划线部分的厚度约为0.907nm，说明制备的二维纳米ws2材料是单层材料。从图4b可以看出，当中心温度为600℃时，sb2te3材料划线部分的厚度约为1.985nm，相当于双层材料。

15、三、sb2te3-ws2垂直异质结纳米材料的性能评价

16、图5为本发明实施例2所制备的ws2和sb2te3-ws2垂直异质结纳米材料的拉曼照片，其图5a为本发明实施例2所制备的单层ws2的拉曼照片，图5b为本发明实施例2所制备的sb2te3-ws2垂直异质结纳米材料的拉曼照片；从图5a中可以看到二维纳米ws2材料在351 cm-1的e2g峰和412 cm-1的a1g峰清晰可见，图5b中sb2te3材料在135 cm-1的e2g峰也可以观测到，说明所合成的材料确实是sb2te3-ws2垂直异质结纳米材料。

17、图6为本发明实施例2所制备的sb2te3-ws2垂直异质结纳米材料的x射线光电子能谱图。从图中可以知道，s2p 的s2p3/2和s2p1/2结合能分别为163.3 ev 和164.5ev，sb 的3d 峰分别为530.9 ev (sb 3d 3/2)和540.2 ev (sb 3d 5/2)；w的w4f7/2 和w4f 5/2 结合能分别为33.7 和35.8 ev，te的3d 峰分别为576.5 ev (te 3d 3/2)和586.8 ev (te 3d5/2)。

18、图7为本发明实施例2所制备的sb2te3-ws2垂直异质结纳米材料的高分辨透射电子显微镜图。从图中可以看出，右边晶格条纹间距为0.27 nm，对应与ws2的（100）晶面间距；左边晶格条纹的间距为0.21 nm，对应于sb2te3的（100）晶面间距。结合图6可证实产物为二维sb2te3-ws2垂直异质结纳米材料。

19、图8为本发明实施例2所制备的sb2te3-ws2垂直异质结纳米材料的所制备的光电探测器件在黑暗条件下经532nm 激光辐照所的的光响应曲线。从图中可看出，随着入射光的开启，sb2te3-ws2异质结器件的沟道电流也随着增加，表明该异质结器件对光有敏感的响应特征，并且该器件具有良好的稳定性和循环性，响应时间短。

20、综上，本发明首创的提供了一种sb2te3-ws2垂直异质结纳米材料，所述异质结为垂直堆垛结构，以ws2作为底层，在所述底层上生长得到sb2te3层，其中底层的ws2呈现规则的三角形，堆叠在底层上的sb2te3单层薄膜由呈三角形的小尺寸纳米片通过晶畴连接而成。在532 nm激光的照射下，sb2te3-ws2垂直异质结纳米材料的光响应度、响应时间和外量子效率明显高于单层ws2器件。

21、同时本发明首次利用两步化学气相沉积法合成了sb2te3-ws2垂直异质结纳米材料，通过生长温度、载气流速、沉积温度三个参数控制得到上述特定的微观相貌的ws2层以及sb2te3层，本发明中底层ws2的尺寸可以达到50 μm以上，顶层sb2te3纳米片的覆盖率能够达到90％。

22、本发明的制作方法简单，实验重复性好。在532 nm激光激发下，sb2te3中的光生电子向ws2转移，而ws2中的空穴向sb2te3转移，致使光生载流子在异质结界面有效分离，从而使ws2层内辐射复合效率降低，并实现sb2te3-ws2垂直异质结纳米材料的光响应度、响应时间和外量子效率增强，有望被用于制备光电探测器等器件。

23、本发明的制备方法可以推广到其他n型tmds半导体材料与p型sb2te3半导体组成垂直异质结制备中，sb2te3较低的生长温度不会破坏类如ws2的tmds半导体材料晶格结构，所制备的异质结具有极高的质量，对于研究纳米级发光器件和光电子学器件具有重要的意义。