一种周期性铁电极化诱导的WSe2类超晶格及其制备方法与流程

本发明属于纳米材料领域，具体涉及一种周期性铁电极化诱导的wse2类超晶格及其制备方法。

背景技术：

1、二维过渡金属硫族化合物(tmdcs)是一种由过渡金属原子和硫族原子形成的具有类石墨烯六角蜂巢的准二维结构层状材料。因其层与层之间的范德华作用力较弱，tmdcs可以通过层层转移、堆垛形成范德华超晶格(vdwsl)。因其独特的晶体结构和电子结构，vdwsl具有类似于及异于石墨烯独特的物理、化学性质，如层数依赖的直接/间接带隙转变、较长的载流子弛豫寿命、较高的载流子迁移率、超导特性、二维铁电/铁磁、莫尔激子、丰富的多物理场耦合特性等。以vdwsl为主的功能器件具有优异的器件性能，包括超过100微安的源漏电流、高达107的开关比、高达105的整流比等。截止目前，vdwsl已经在光电子、生物、能源等领域展现出了巨大的应用潜力，成为学术界、工业界备受瞩目的新材料。

2、vdwsl的制备通常采用机械剥离与层层转移模式的结合、化学气相沉积(cvd)、金属有机化学气相沉积(mocvd)、插层嵌入法等。机械剥离结合层层转移制备vdwsl往往需要付出较大的人力，并可能在人为剥离及转移过程中引入空气杂质等缺陷，不利于规模化的器件集成。在制备vdwsl过程中，cvd及mocvd法在成核生长完一层tmdcs后，通过切换化学蒸气源、改变气流参数、调整反应温度等继续实现下一层tmdcs的垂直生长或侧向生长，一般需要连续沉积或多步反应。这类制备工艺对热平衡状态下的动力学生长控制要求极高，或不可避免地引入反应步骤间的温度扰动、均匀形核、热诱发的材料剥蚀等，不利于vdwsl的制备。若生长3-5个交替周期的高质量vdwsl，cvd及mocvd法需要不分昼夜地连续生长10天之久，耗时长，产率也有限。插层嵌入法允许在vdw间隙插入原子、离子、分子等活性成分形成独特的嵌入式vdwsl，但仅限于锂或钝化分子。嵌入层一般不具备直接的光学、电子或磁性功能，也无法和tmdcs支撑层有电子耦合作用。因此，嵌入层仅作为钝化层扩展了tmdcs支撑层的层间距，从而解耦原支撑层之间的电子相互作用。上述制备方法所制备的vdwsl一般交替周期较短且产率有限，无法实现高效制备交替周期数较大的高阶vdwsl。若仍采用连续堆垛或多步反应工艺，受限于产率低下、材料损坏等问题，高阶vdwsl的制备难度将随着交替周期数的增加呈指数级增长。

技术实现思路

1、本技术提供一种周期性铁电极化诱导的wse2类超晶格的制备方法，该制备方法简单、高效，实现了范德华超晶格能带结构的快速、高效、简单构筑。

2、本技术提供了一种周期性铁电极化诱导的wse2类超晶格的制备方法，包括：

3、在硅衬底上旋涂p(vdf-trfe)有机溶液，然后进行退火得到p(vdf-trfe)铁电薄膜；

4、在p(vdf-trfe)铁电薄膜表面进行刻写得到具有周期性铁电畴结构的p(vdf-trfe)铁电薄膜；

5、通过二维转移工艺将wse2薄膜转移至具有周期性铁电畴结构的p(vdf-trfe)铁电薄膜表面，通过具有周期性铁电畴结构的p(vdf-trfe)铁电薄膜产生的静电场对wse2薄膜进行诱导使得wse2薄膜形成类超晶格的能带结构。

6、本技术实施例还提供了采用原子力显微镜针尖在p(vdf-trfe)铁电薄膜表面进行刻写，具体步骤为：

7、分别设置原子力显微镜针尖每次刻写的扫描区域、原子力显微镜针尖的x方向移动偏移量或y方向移动偏移量，以及刻写次数阈值；

8、原子力显微镜针尖按照设定的扫描区域完成一次刻写后，按照x方向移动偏移量或y方向移动偏移量将原子力显微镜针尖移动至目标位置进行下一次刻写，直至达到刻写次数阈值后停止刻写，得到周期性铁电畴结构的p(vdf-trfe)铁电薄膜；

9、其中，每次按照设定的x方向移动偏移量或y方向移动偏移量将原子力显微镜针尖移动到目标位置后，重新设置原子力显微镜针尖上的电压，重新设置电压的电压值为与上一次刻写时的电压值相同，电压方向为与上一次刻写时的电压方向相反。

10、本发明通过设置合适的电压，x、y方向移动偏移量，使得所述针尖能够在p(vdf-trfe)铁电薄膜表面刻写周期性铁电畴结构，通过所述周期性铁电畴结构的p(vdf-trfe)铁电薄膜产生周期性退极化场，所述退极化场提供的静电场诱导wse2薄膜形成类超晶格的能带结构，通过上述方法实现了范德华超晶格能带结构的快速、高效、简单构筑。

11、所述施加在所述原子力显微镜针尖上的电压为-10－+10v。

12、所述x方向移动偏移量为-5－+5μm；所述y方向移动偏移量-5－+5μm。

13、在一优选实施例中，每次完成扫描区域的刻写后，将所述针尖上的电压由正电压或负电压调节为0v，然后将调节后的针尖移动到开始刻写该扫描区域时所处的位置。

14、所述p(vdf-trfe)铁电薄膜的厚度为20nm-300nm。合适的厚度能够得到较好的极化铁电畴，在去极化过程中，能够产生合适的周期性静电场对wse2薄膜进行诱导使得wse2薄膜形成类超晶格的能带结构。

15、所述周期性铁电畴结构由铁电畴周期性排列获得的，所述铁电畴的宽度为500nm-5μm，长度为1μm-5μm。

16、所述p(vdf-trfe)有机溶液包括p(vdf-trfe)和极性溶剂，所述极性溶剂为碳酸二乙酯、四氢呋喃、n,n-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、n-甲基吡咯烷酮或甲乙酮，所述p(vdf-trfe)在p(vdf-trfe)有机溶液中的质量分数为0.5％-5％。

17、所述p(vdf-trfe)中的trfe摩尔比占比为20％-50％，剩余为vdf。

18、所述在硅衬底上旋涂p(vdf-trfe)有机溶液，其中，旋涂工艺为：旋涂转速为300-800rpm旋涂3-5s，然后将旋涂转速增加到2000-3000rpm旋涂20-50s，旋涂p(vdf-trfe)有机溶液体积为40μl-100μl。

19、进一步的，对旋涂p(vdf-trfe)有机溶液的硅衬底进行退火，其中，退火工艺为：退火温度为120-140℃，退火时间为0.5 -12h。

20、所述硅衬底为p型si是重掺杂导电型半导体材料，带有285nm-300nm厚度的sio2，电阻率0.001-0.005ω·cm。

21、所述具有周期性铁电畴结构的p(vdf-trfe)铁电薄膜为β相，形貌为编织网状，通过刻写得到具有极化方向为面外朝上方向和面外朝下方向周期性排列的周期性铁电畴结构。

22、所述通过二维转移工艺将wse2薄膜转移至具有周期性铁电畴结构的p(vdf-trfe)铁电薄膜表面，包括：

23、通过干法或湿法将机械剥离后的wse2薄膜转移至刻写有周期性铁电畴结构的p(vdf-trfe)铁电薄膜上，转移介质为pdms薄膜，辅以热烘，使pdms薄膜软化，将黏附的wse2薄膜转移至p(vdf-trfe)铁电薄膜表面。

24、本技术还提供了利用所述周期性铁电极化诱导的wse2类超晶格的制备方法制备得到的周期性铁电极化诱导的wse2类超晶格。

25、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

26、本发明通过对p(vdf-trfe)铁电薄膜表面进行周期性铁电畴结构的刻写，基于获得的周期性铁电畴结构的p(vdf-trfe)铁电薄膜产生的退极化场，向附着于p(vdf-trfe)铁电薄膜表面的wse2薄膜提供周期性静电场，通过周期性静电场对wse2薄膜的带隙进行调控，进而诱导形成类超晶格的能带结构，与现有技术中，制备范德华超晶格所需的高温、高压等生成工艺相比，本技术能够实现范德华超晶格能带结构的快速、高效、简单构筑。