一种可调谐激子发射强度与谷极化的复合材料及其制备方法

本发明涉及一种可调谐二维异质结复合材料，具体涉及一种可调谐激子发射强度与谷极化的复合材料及其制备方法，属于二维半导体及异质结材料激子发光性能的调控。

背景技术：

1、二维(2d)过渡金属硫族化合物(tmdcs)具有独特的电子和光学特性，如强光-物质相互作用、大激子结合能、和谷选择性规则，为激子多体效应研究和光电器件应用提供了一个前景广阔的平台。有效调制二维tmdcs的电子和光学特性对于设计和应用具有不同功能的光电器件至关重要。由于二维tmdcs具有原子尺度的厚度和较高的机械变形承受能力，因此可通过应变工程对其能带结构、载流子迁移率和光学特性进行有效调控。

2、通过堆叠不同的二维tmdcs形成的范德华异质结构继承了单层材料的特性，并产生了独特的物理过程，例如电子和空穴位于不同层的层间激子的形成。与层内激子相比，层间激子具有超快的形成过程、长寿命以及平面外电偶极矩等特点，这拓展了激子在光电器件应用中的潜力。此外，层自由度与tmdcs异质结构的电子能带结构直接相关，为形成层间工程激子提供了有效途径。层间激子对层间耦合非常敏感，可以通过调整晶格参数和能带结构进行外部调制。最近有报道称，层间激子在tmdcs异质结构中的光学特性可通过应变或高压调控。然而，随着发射光子能量的调控，层间激子的pl发射强度出现严重淬灭，这可能是由于调谐过程中弱的层间范德瓦尔斯力在调谐过程中引起的原子层间滑动。因此，开发一种新的方法或机制，在调控层间激子的发射能量的同时增强发射强度是非常有必要的，这对光电器件的实际应用至关重要。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种可调谐激子发射强度与谷极化的复合材料，该复合材料基于复合材料各层之间的堆叠结构特性以及异质结结构与柔性材料之间的无滑移接触，实现了复合材料的高效应变调谐激子能量、提升发射强度以及谷极化的技术效果，该复合材料在室温和低温下均可有效工作，大幅提高了该材料对复杂工况的兼容性。

2、本法明的第二个目的在于提供了一种可调谐激子发射强度与谷极化的复合材料的制备方法，该方法通过控制二维异质结中各层之间的扭转角实现层间的高强耦合，进一步的，采用旋涂工艺将异质结结构转移至柔性基材上，避免了异质结在转移过程中的外力损伤，通过上述步骤实现了复合材料异质结结构中和异质结结构与柔性基材之间均为稳固接触，解决了层状材料的滑移问题。

3、为了实现上述技术目的，本发明提供了一种可调谐激子发射强度与谷极化的复合材料，由二维异质结材料与柔性基材组成；所述二维异质结材料包括1～3层堆叠状二维过渡金属硫化物，厚度为0.7～3nm，所述柔性基材与二维异质结材料之间无滑移；

4、所述过渡金属硫化物化学通式为mx2，其中，m为ti、in、ta、mo、w、re和te中的一种，x为s或se。

5、作为一项优选的方案，所述堆叠状二维过渡金属硫化物各层之间的扭转角相同，为0.1～4°。

6、作为一项优选的方案，所述二维异质结材料还包括二维半金属层，厚度为0.3～1.5nm。

7、作为一项优选的方案，所述二维半金属层为石墨烯、黑磷、硅、砷和硼中的一种。

8、作为一项优选的方案，所述柔性基材为单层或多层材料，当柔性基材为多层复合材料时，从与二维异质结材料接触开始依次为高粘薄膜、柔性粘结剂和柔性热塑性树脂。

9、本发明还提供了一种可调谐激子发射强度与谷极化的复合材料的制备方法，采用机械剥离法获得所有的单层二维过渡金属硫化物，按照扭转角转移至硅基衬底上，经退火处理，得异质结前驱体；将柔性基底旋涂于异质结前驱体表面，依次经固化、封装和硅基衬底分离，即得。

10、作为一项优选的方案，所述退火处理的条件为：真空度为0.8×10-4mbar～4.2×10-5mbar，温度为120～180℃，时间为4～8h。退火处理可以增强材料的异质结层间界面耦合，确保材料中层间激子的形成。

11、作为一项优选的方案，所述旋涂的条件为：转速为4000～6000rmp，时间为30～50s。

12、作为一项优选的方案，所述柔性基底为多层材料时，高粘薄膜为pva，柔性粘结剂为硅胶，柔性热塑性树脂为pet和/或petg，其中，高粘薄膜与柔性热塑性树脂粘结时还需要经过加热烘烤，烘烤温度为60～70℃，烘烤时间为1～3min。

13、作为一项优选的方案，所述高粘薄膜为pva时，其旋涂液的制备过程为：将固体pva颗粒与水在100～130℃，800～900rmp下搅拌3～4h，得到pva浓度为3～20wt％的pva旋涂液。

14、作为一项优选的方案，所述pva旋涂液在旋涂后还需在50～80℃下加热1～3min去除水分，所得pva膜的厚度为20～40μm。

15、作为一项优选的方案，所述硅胶层厚度为40～60μm。

16、相对于现有技术，本发明的有益技术效果为：

17、1)本发明所提供的复合材料通过柔性材料封装二维异质结实现了材料整体的高效应变，即应变过程可有效的作用于异质结材料的晶格上，避免了二维异质结在弯折过程中产生滑动效应；此外，按照特定扭转角堆叠的二维过渡金属硫化物材料在应变过程中可有效调节激子的发射能量、强度以及谷极化，从而有效解决异质结材料在应力作用下pl强度淬灭的问题。

18、2)本发明所提供的制备方法中，通过控制二维异质结中各层之间的扭转角实现层间的高强耦合，进一步的，采用旋涂工艺将异质结结构转移至柔性基材上，避免了异质结在转移过程中的外力损伤，通过上述步骤实现了复合材料异质结结构中和异质结结构与柔性基材之间均为稳固接触，解决了层状材料的滑移问题。

19、3)本发明所提供的技术方案中，基于材料的稳固特性赋予了材料高效应变特性，该复合材料可在室温以及10k左右的低温下有效工作，经测试，该复合材料通过施加可控的柔性应变实现了高达70mev的发射能量调制，使室温下层间激子的pl强度增加了2.6倍。此外，在非共振激发下，层间激子的谷极化在10k从接近0％被调制到约20％。

技术特征：

1.一种可调谐激子发射强度与谷极化的复合材料，其特征在于：由二维异质结材料与柔性基材组成；所述二维异质结材料包括1～3层堆叠状二维过渡金属硫化物，厚度为0.7～3nm，所述柔性基材与二维异质结材料之间无滑移；

2.根据权利要求1所述的一种可调谐激子发射强度与谷极化的复合材料，其特征在于：所述堆叠状二维过渡金属硫化物各层之间的扭转角相同，为0.1～4°。

3.根据权利要求1所述的一种可调谐激子发射强度与谷极化的复合材料，其特征在于：所述二维异质结材料还包括二维半金属层，厚度为0.3～1.5nm；所述二维半金属层为石墨烯、黑磷、硅、砷和硼中的一种。

4.根据权利要求1所述的一种可调谐激子发射强度与谷极化的复合材料，其特征在于：所述柔性基材为单层或多层材料，当柔性基材为多层复合材料时，从与二维异质结材料接触开始依次为高粘薄膜、柔性粘结剂和柔性热塑性树脂。

5.权利要求1～4任意一项所述的一种可调谐激子发射强度与谷极化的复合材料的制备方法，其特征在于：采用机械剥离法获得所有的单层二维过渡金属硫化物，按照扭转角转移至硅基衬底上，经退火处理，得异质结前驱体；将柔性基底旋涂于异质结前驱体表面，依次经固化、封装和硅基衬底分离，即得。

6.根据权利要求1所述的一种可调谐激子发射强度与谷极化的复合材料的制备方法，其特征在于：所述退火处理的条件为：真空度为0.8×10-4mbar～4.2×10-5mbar，温度为120～180℃，时间为4～8h。

7.根据权利要求1所述的一种可调谐激子发射强度与谷极化的复合材料的制备方法，其特征在于：所述旋涂的条件为：转速为4000～6000rmp，时间为30～50s。

8.根据权利要求1所述的一种可调谐激子发射强度与谷极化的复合材料的制备方法，其特征在于：所述柔性基底为多层材料时，高粘薄膜为pva，柔性粘结剂为硅胶，柔性热塑性树脂为pet和/或petg，其中，高粘薄膜与柔性热塑性树脂粘结时还需要经过加热烘烤，烘烤温度为60～70℃，烘烤时间为1～3min。

9.根据权利要求8所述的一种可调谐激子发射强度与谷极化的复合材料的制备方法，其特征在于：所述高粘薄膜为pva时，其旋涂液的制备过程为：将固体pva颗粒与水在100～130℃，800～900rmp下搅拌3～4h，得到pva浓度为3～20wt％的pva旋涂液。

10.根据权利要求9所述的一种可调谐激子发射强度与谷极化的复合材料的制备方法，其特征在于：所述pva旋涂液在旋涂后还需在50～80℃下加热1～3min去除水分，所得pva膜的厚度为20～40μm；所述硅胶层厚度为40～60μm。

技术总结
本发明公开了一种可调谐激子发射强度与谷极化的复合材料及其制备方法。该复合材料由二维异质结材料与柔性基材组成；所述二维异质结材料包括1～3层堆叠状二维过渡金属硫化物，厚度为0.7～3nm，所述柔性基材与二维异质结材料之间无滑移；所述堆叠状二维过渡金属硫化物各层之间的扭转角相同，为0.1～4°。该方法通过控制异质结中各层之间的扭转角实现层间的高强耦合，采用旋涂工艺将异质结结构转移至柔性基材上，保证了异质结结构与柔性基材之间均为稳固接触，解决了层状材料的滑移问题，调谐该材料应变下激子能量、提升了强度以及谷极化，该复合材料在室温和低温下均可有效工作，大幅提高了该材料对复杂工况的兼容性。

技术研发人员：王笑,张丹亮
受保护的技术使用者：湖南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/8