本發(fā)明屬于納米材料領(lǐng)域，涉及二維材料橫向異質(zhì)結(jié)及其超晶格的制備方法。

技術(shù)背景

二維材料領(lǐng)域最先由2004年石墨烯的發(fā)現(xiàn)而引發(fā)研究熱潮，但是由于石墨烯特殊的零帶隙能帶結(jié)構(gòu)，使其在電子和光電子領(lǐng)域受到了極大限制，例如石墨烯場效應(yīng)管開關(guān)比非常小，使其在邏輯電路中的使用受限。而b.radisavljevic等人采用單層mos2制備的場效應(yīng)晶體管開關(guān)比高達(dá)到10⁸，極具應(yīng)用前景，以單層mos2為代表的新型二維材料引發(fā)了極大關(guān)注^[1]。

tmds等層狀材料與石墨一樣具有同樣的層狀結(jié)構(gòu)特征，層內(nèi)原子以強(qiáng)的共價鍵或者離子鍵結(jié)合，層間以弱的范德華力結(jié)合，層狀材料的結(jié)構(gòu)特征使得單個原子層或者少數(shù)原子層可能單獨存在，這些以2d-tmds為代表的新二維材料一般具有依賴于材料層數(shù)的電子和光電子性質(zhì)。要充分實現(xiàn)這些層狀半導(dǎo)體材料在電子和光電子領(lǐng)域的應(yīng)用，需要精確這些二維原子晶體的化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)、和電子性質(zhì)的空間分布，這與硅為代表的傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料在傳統(tǒng)電子領(lǐng)域中是類似的。在傳統(tǒng)電子工業(yè)中異質(zhì)結(jié)，定義了現(xiàn)代電子和光電子器件的基本結(jié)構(gòu)，如p-n結(jié)二極管，光伏器件，光電檢測器，發(fā)光二級管，激光二極管等，2d-tmds等二維材料橫向異質(zhì)結(jié)的制備對于相關(guān)二維材料在電子領(lǐng)域中成功應(yīng)用，并發(fā)揮它們的優(yōu)勢是至關(guān)重要的^[2]。二維層狀材料異質(zhì)結(jié)作為原子級薄的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)，具有諸多重大的科學(xué)意義以及應(yīng)用價值，極具研究前景。

目前對于二維材料垂直向異質(zhì)結(jié)的性質(zhì)進(jìn)行了較為廣泛的研究，然而對于橫向異質(zhì)結(jié)的研究由于工藝條件苛刻，致使研究進(jìn)展緩慢^[2，4，5]。當(dāng)前已經(jīng)有多種二維橫向異質(zhì)結(jié)被制備，主要包括石墨烯-氮化硼橫向異質(zhì)結(jié)、tmdcs系列的橫向異質(zhì)結(jié)等，二維橫向異質(zhì)結(jié)的制備方法包括分步合成，和一次性合成以及原位改變氣相反應(yīng)物的技術(shù)等，但是由于合成過程中生長氣壓、溫度、生長時間等需要嚴(yán)格控制，往往會出現(xiàn)高摻雜、界面不平整，出現(xiàn)較寬的合金區(qū)域、制備效率低下等問題，造成目前二維材料橫向異質(zhì)結(jié)制備難度很大^[3]。目前多橫向異質(zhì)結(jié)的制備并沒有實現(xiàn)，而二維材料超晶格結(jié)構(gòu)主要采用刻蝕工藝輔助加工，加工難度大，且經(jīng)加工再生長的異質(zhì)結(jié)構(gòu)較難保持其潔凈程度。因此，該領(lǐng)域存在諸多的挑戰(zhàn)需要解決。二維層狀材料異質(zhì)結(jié)作為原子級薄的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)，具有諸多重大的科學(xué)意義以及應(yīng)用價值，極具研究前景^[2]。

參考文獻(xiàn)

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[2].liuy，weissno，duanx，etal.vanderwaalsheterostructuresanddevices[j].naturereviewsmaterials，2016，1：16042.

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[5].huangc，etal.lateralheterojunctionswithinmonolayermose2-wse2semiconductors.natmater.13，1096-1101(2014).

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有異質(zhì)結(jié)制備方法普遍存在兩種異質(zhì)結(jié)材料之間的高摻雜、制備效率低下、界面合金區(qū)域過寬等問題，本發(fā)明提供了一種二維材料橫向異質(zhì)結(jié)的制備方法，旨在改良現(xiàn)有的二維材料異質(zhì)結(jié)制備方法，使能夠獲得原子層級光滑性、界線陡峭、平整以及低摻雜的二維材料橫向異質(zhì)結(jié)，并實現(xiàn)高效制備，同時實現(xiàn)二維超晶格的制備，解決目前不能簡單靠生長獲得超晶格的難題。

一種二維材料橫向異質(zhì)結(jié)的制備方法，包括以下步驟：

步驟(a)：以材料a粉末為原料，在基底表面進(jìn)行氣相沉積，形成材料a的納米片；

步驟(b)：將材料b1的粉末在逆向載氣氣流下加熱至生長溫度，隨后再在正向載氣氣流下使b1沿材料a的納米片外沿橫向生長，生長完成后再通入逆向載氣氣流，制得二維材料橫向異質(zhì)結(jié)a-b1；

所述的逆向指由基底吹向原料粉末的方向；所述的正向指由原料粉末吹向基底的方向；

所述的材料a和材料b1獨自選自過渡金屬硫族化合物、金屬鹵化物、過渡金屬鹵氧化物、金屬碳化物或金屬氮化物，且a≠b1。

本發(fā)明獨創(chuàng)性地在二維材料原料粉末升溫階段通入逆向氣流，當(dāng)達(dá)到二維材料原料粉末的生長溫度后，再變換載氣流向，使二維材料原料沉積在基底上，通過在制備過程中采取升溫階段通入冷卻氣流的方法，解決了生長過程中第一種材料易于受熱毀損的難題(也即是，通過所述的方法可明顯解決在沉積下一種二維材料過程中，損害基底上已沉積的二維材料)，極大提升了二維材料制備的可控性以及效率。本發(fā)明通過在材料粉末升溫至成長溫度后變換氣流方向的方法，可穩(wěn)定基底上已有生長的二維材料，此外，通過所述的制備方法可以連續(xù)外延二維材料，可有效解決二維材料橫向外延過程中界線處成核難以控制的難題，實現(xiàn)了界線處的原子級平整，該制備方法具有操作過程簡單，實驗重復(fù)性好等優(yōu)勢。

序列生長和生長條件穩(wěn)定化過程中通入反向氣流以穩(wěn)定已經(jīng)生長的二維材料。

作為優(yōu)選，以bi粉末為原料，重復(fù)i-1次步驟(b)，在帶有bi-1的二維橫向異質(zhì)結(jié)材料外沿橫向生長bi，得到結(jié)構(gòu)為a-b1-b2-……bi的成品；所述i為大于等于2的整數(shù)；所述bi粉末選自過渡金屬硫族化合物、金屬鹵化物、過渡金屬鹵氧化物、金屬碳化物或金屬氮化物；且bi≠bi-1。

本發(fā)明中，可通過變換二維材料的原料，重復(fù)進(jìn)行步驟(b)，不斷在制得的橫向異質(zhì)結(jié)外沿橫向延伸二維材料；制得具有三層及以上的橫向復(fù)合的多種異質(zhì)結(jié)的產(chǎn)物。

作為優(yōu)選，所述的a-b1-b2-……bi的成品中，相間隔層的材料相同。該類由兩種原料沿外沿交替延伸生長、該材料具有二維材料超晶格結(jié)構(gòu)。

作為優(yōu)選，i為2或3。

例如i為2時，采用b2原料粉末替換步驟(b)的b1原料粉末，重復(fù)進(jìn)行步驟(b)，制得二維材料橫向異質(zhì)結(jié)a-b1-b2。所述的a、b1、b2獨自選自過渡金屬硫族化合物、金屬鹵化物、過渡金屬鹵氧化物、金屬碳化物或金屬氮化物；且b2≠b1；b1≠a。

再如i為3時，采用不同物料重復(fù)進(jìn)行步驟(b)兩次(i-1次)，也即是：采用b2原料粉末替換步驟(b)的b1原料粉末，重復(fù)進(jìn)行步驟(b)，制得二維材料橫向異質(zhì)結(jié)a-b1-b2；隨后再采用b3原料在a-b1-b2的外延橫向生長b3；制得二維材料橫向異質(zhì)結(jié)a-b1-b2-b3。所述的a、b1、b2、b3獨自選自過渡金屬硫族化合物、金屬鹵化物、過渡金屬鹵氧化物、金屬碳化物或金屬氮化物；且b3≠b2；b2≠b1；b1≠a。

所述的二維材料橫向異質(zhì)結(jié)a-b1-b2-b3中，當(dāng)a＝b2、且b2＝b3時，該異質(zhì)結(jié)具有超晶格結(jié)構(gòu)。

作為優(yōu)選，所述的材料a選自ws2或wse2。

作為優(yōu)選，所述的材料b1、材料b2、材料bi獨自選自mos2、ws2、mose2或wse2。

作為優(yōu)選，制備過程中，精確調(diào)控生長溫度以及生長時間，以及載氣流量等參數(shù)，能夠提升制得的二維材料納米片的性能；從而更利于后續(xù)制備得到優(yōu)異的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。過高溫度和溫度過低都會影響二維材料的生長，包括對材料層厚、大小、形狀等，合適的載氣流量是獲得質(zhì)量優(yōu)良的二維材料的關(guān)鍵，流量速率過高或者偏低都會造成生長的可控性變?nèi)?，出現(xiàn)生長不穩(wěn)定，長出三維結(jié)構(gòu)等不利結(jié)果，合理的時間才能獲得合適大小的二維材料。

作為優(yōu)選，步驟(a)中，ws2的生長溫度為1100℃-1200℃，生長時間為1-15min，載氣流量為30-350sccm。

進(jìn)一步優(yōu)選，步驟(a)中，ws2的生長溫度為1150℃-1180℃，生長時間為5-10min，載氣流量為50-110sccm。

作為優(yōu)選，步驟(a)中，wse2的生長溫度為1030℃-1200℃，生長時間為5-20min，載氣流量為50-200sccm。

進(jìn)一步優(yōu)選，步驟(a)中，wse2的生長溫度為1150℃-1160℃，生長時間為5-10min，載氣流量為60-100sccm。

本發(fā)明中，對異質(zhì)結(jié)制備過程[步驟(b)]的生長溫度以及生長時間進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控，配合本發(fā)明獨創(chuàng)的變換氣流方法，能夠確保二維材料橫向外延過程中界線處成核難以控制的難題，進(jìn)一步提升界線處的原子級平整性。過高溫度會造成材料的毀損，溫度過低則會出現(xiàn)界線處出現(xiàn)三維島狀物，只有合適的載氣流量才能獲得合適的外延效果，流量速率過高或者偏低都會造成生長的可控性變?nèi)酰霈F(xiàn)生長不穩(wěn)定，長出三維結(jié)構(gòu)等不利結(jié)果，合理的時間可以精準(zhǔn)控制合適寬窄的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。

作為優(yōu)選，步驟(b)中，ws2的生長溫度為1100℃-1200℃；生長時間為1-15min；正向載氣流量為50-350sccm。

進(jìn)一步優(yōu)選，步驟(b)中，ws2的生長溫度為1150℃-1200℃；生長時間為1-2min；正向載氣流量為50-100sccm。

作為優(yōu)選，步驟(b)中，wse2的生長溫度為1030℃-1180℃，生長時間為1-20min；正向載氣流量為50-200sccm。

進(jìn)一步優(yōu)選，步驟(b)中，wse2的生長溫度為1100℃-1120℃，生長時間為1-2min；正向載氣流量為100-150sccm。

作為優(yōu)選，步驟(b)中，mos2的生長溫度為1150℃-1200℃，生長時間為1-5min；正向載氣流量為50-300sccm。

進(jìn)一步優(yōu)選，步驟(b)中，mos2的生長溫度為1180℃-1200℃，生長時間為2-5min；正向載氣流量為100-300sccm。

作為優(yōu)選，步驟(b)中，mose2的外延生長溫度為1180℃-1200℃，生長時間為30s-5min，載氣流量為50-200sccm。

進(jìn)一步優(yōu)選，步驟(b)中，mose2的外延生長溫度為1180℃-1200℃，生長時間為30s-50s，載氣流量為100-200sccm。

步驟(b)中，逆向載氣流量均為200～500sccm；逆向載氣流量優(yōu)選為300～350sccm。

本發(fā)明中，繼續(xù)在步驟(b)中制得的異質(zhì)結(jié)的邊緣外延二維材料，制得具有三層及以上層數(shù)的二維材料橫向復(fù)合的多種異質(zhì)結(jié)。

在異質(zhì)結(jié)外延二維材料的物理氣相沉積方法可參考步驟(b)的各原位的生長溫度、生長時間以及載氣流量。

所述的基底為si/sio2基底、藍(lán)寶石基底或云母基底；進(jìn)一步優(yōu)選為si/300nmsio2基底。

本發(fā)明還包括實施所述制備方法的氣相沉積(例如步驟(a)的沉積以及步驟(b)的延伸生長)裝置，包括石英管，所述的石英管的中部腔室為高溫恒溫區(qū)，二維材料的原料粉末放置在高溫恒溫區(qū)，所述的裝置還設(shè)置有加熱所述高溫恒溫區(qū)的加熱裝置；所述的石英管的一端的腔室為變溫沉積區(qū)，基底和/或沉積有二維材料的基底放置在變溫沉積區(qū)域；

所述的石英管二端均設(shè)置有氣孔，靠近基底端的氣孔為氣孔1；氣孔1相對端的氣孔為氣孔2。

所述的變溫沉積區(qū)設(shè)置在高溫恒溫區(qū)的一側(cè)，且未配備加熱裝置。

本發(fā)明所述的氣相沉積裝置，異質(zhì)結(jié)制備過程中，所述的二維材料的原料粉末升溫至生長溫度的階段，氣孔1為載氣進(jìn)氣口，氣孔2為載氣出氣口；待二維材料的原料粉末溫度達(dá)到生長溫度后，氣孔2為載氣的進(jìn)氣口，氣孔1為載氣的出氣口。

本發(fā)明中，步驟(a)中，在制備二維材料納米片的時候，先由氣孔2處通入載氣，由氣孔1導(dǎo)出(正向氣流)，清洗管路；隨后再將二維材料a的粉末裝載于氧化鋁舟體中，置于高溫恒溫區(qū)域；將基底材料置于變溫沉積區(qū)；在載氣的持續(xù)吹掃下，二維材料a的粉末在高溫恒溫區(qū)域不斷升溫，升溫至成長溫度后，沉積在基底表面，制得納米片；

步驟(b)中，變換載氣氣流方向，載氣由氣孔1通向氣孔2(逆向氣流)，將材料b1的粉末裝載于氧化鋁舟體中，置于高溫恒溫區(qū)域；并在該區(qū)域升溫，當(dāng)材料b1的溫度升溫至成長溫度后，變換載氣的氣流方向，載氣由氣孔2通向氣孔1，在變換后的載氣的吹掃下，二維材料b1沿二維材料a的納米片的邊沿橫向生長(正向氣流)，沉積生長結(jié)束后，變換載氣流向，由氣孔1通向氣孔2；制得橫向異質(zhì)結(jié)a-b1。

重復(fù)進(jìn)行步驟(b)，使在制得的異質(zhì)結(jié)的邊沿不斷外延橫向成長二維材料。

本發(fā)明一種優(yōu)選的二維材料異質(zhì)結(jié)的制備方法，包括以下步驟：

步驟(1)：將材料a的粉末源；裝載于氧化鋁舟體中，放置在管式爐石英管(2cm管徑)中的中間高溫恒溫區(qū)域；在管式爐變溫沉積區(qū)域放置氧化硅片(si/300nmsio2)作為材料沉積用襯底；所述的材料a為ws2或wse2；

先期通氬氣清洗管路(氬氣的流量例如為500sccm，通入時間例如為10min)，加熱過程中使用氬氣作為載氣；不同種類二維材料選用不同的載氣流量和生長溫度和生長時間；其中，ws2的生長溫度為1100℃-1150℃，生長時間為1-15min，載氣流量為30-350sccm；

wse2的生長溫度為1030℃-1160℃，生長時間為5-20min，載氣流量為50-200sccm；

沉積結(jié)束后，會在基底表面沉積有單層單晶ws2或wse2的納米片；

步驟(2)：二維材料橫向異質(zhì)結(jié)(例如ws2-mos2、ws2-mose2、ws2-wse2、wse2-mose2、wse2-mose2)的制備，包括以下步驟

將橫向外延用二維材料的原料粉體(材料b1)裝載于氧化鋁舟中，放置到水平管式爐石英管(2cm管徑)中間高溫區(qū)域；所述的材料b1的原料為mos2、mose2、ws2或wse2；材料b1和a為不同材料；

將步驟(1)中制備的已經(jīng)沉積有單層二維材料(如ws2、wse2)的基底放置于下游的管式爐變溫沉積區(qū)域；

先通氬氣清洗管路(氬氣的流量例如為500sccm，通入時間例如為10min)，反應(yīng)升溫階段通入逆向氣流(氣孔1通向氣孔2，其中ar的流量優(yōu)選為300sccm)，達(dá)到橫向外延用二維原料生長溫度時，通入正向氣流(氣孔2通向氣孔1)，不同種類橫向外延用二維材料選用不同的載氣流量和生長溫度和生長時間；

ws2的生長溫度為1100℃-1200℃；生長時間為1-15min；正向載氣流量為50-350sccm；wse2的生長溫度為1030℃-1150℃，生長時間為1-20min；正向載氣流量為50-200sccm；mos2的生長溫度為1150℃-1200℃，生長時間為1-5min；正向載氣流量為50-200sccm；mose2的生長溫度為1180℃-1200℃，生長時間為30s-5min，載氣流量為50-200sccm；

生長結(jié)束再次通入逆向氣流(ar的流量優(yōu)選為300sccm)截止反應(yīng)，可獲得相應(yīng)的ws2-mos2、ws2-mose2、ws2-wse2、wse2-mose2、wse2-mose2橫向異質(zhì)結(jié)。

本發(fā)明所述的優(yōu)選的二維材料異質(zhì)結(jié)的制備方法，可在步驟(2)制得的異質(zhì)結(jié)的基礎(chǔ)上，繼續(xù)通過步驟(2)的方法不斷外延橫向生長二維材料；制得具有多層結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)。具體為，還包括步驟(3)：使用步驟(2)的方法，同時采用步驟(2)中獲得的異質(zhì)結(jié)進(jìn)行進(jìn)一步的外延生長，采用合適的時間溫度以及載氣流量，進(jìn)一步在步驟(2)中獲得的異質(zhì)結(jié)的基礎(chǔ)上外延與前者不同的材料，可獲得相關(guān)的多橫向異質(zhì)結(jié)(ws2-mos2-ws2，ws2-wse2-mos2，ws2-mose2-wse2)；

一種更優(yōu)選的二維材料超晶格(如ws2-wse2-ws2-wse2)的制備，包括以下步驟：

采用步驟(1)的方法，在基底表面沉積有單層單晶ws2或wse2的納米片；

采用步驟(2)的方法，在ws2納米片的邊沿橫向生長wse2；并隨后繼續(xù)采用步驟(2)的方法繼續(xù)周期性外延生長ws2-wse2結(jié)構(gòu)，可獲得ws2-wse2-ws2-wse2超晶格結(jié)構(gòu)；

或者，采用采用步驟(2)的方法，在wse2納米片的邊沿橫向生長ws2；并隨后繼續(xù)采用步驟(2)的方法繼續(xù)周期性外延生長wse2-ws2結(jié)構(gòu)，可獲得wse2-ws2-wse2-ws2超晶格結(jié)構(gòu)；

其中材料的生長溫度ws2(1100℃-1200℃)、wse2(1030℃-1150℃)，生長時間ws2(1-15min)、wse2(1-20min)，反相載氣ar流量全部為300scccm，正向氣體ar流量分別為ws2(50-350sccm)、wse2(50-200sccm)。

本發(fā)明還公開了一種所述的制備方法制得的二維材料橫向異質(zhì)結(jié)，包括生長在基底表面的材料a的納米片，以及沿二維材料a的納米片邊沿依次橫向成長的b1、b2、……、bi。

所述的二維材料橫向異質(zhì)結(jié)中，所述的i為2或3。

所述優(yōu)選的二維材料橫向異質(zhì)結(jié)為a-b1-b2；或者為a-b1-b2-b3；材料a、材料b1、材料b2、材料bi獨自選自mos2、ws2、mose2或wse2；且b3≠b2；b2≠b1；b1≠a。所述的二維材料橫向異質(zhì)結(jié)a-b1-b2-b3中，當(dāng)a＝b2、且b2＝b3時，該異質(zhì)結(jié)具有超晶格結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明還包括一種所述的制備方法制得的二維材料超晶格結(jié)構(gòu)，為沿二維材料a的納米片納米片或二維材料橫向異質(zhì)結(jié)邊沿橫向、循環(huán)周期性生長的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)式為二維材料ab1b2、……、bi；相間隔層的材料相同，例如，偶數(shù)層的材料均為ws2，奇數(shù)層均為wse2；或者，偶數(shù)層的材料均為wse2，奇數(shù)層均為ws2。

本發(fā)明還包括所述的制備方法制得的橫向異質(zhì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，將所述的橫向異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料用于制備p-n結(jié)二極管、光伏器件、光電檢測器、發(fā)光二級管、激光二極管、量子阱器件、以及p-n-p三極管、反相器以及光子晶體等新型的微納電子元器件和新型二維結(jié)構(gòu)。

制備所述的光學(xué)、電學(xué)原件的方法可參照現(xiàn)有技術(shù)。

有益效果

本發(fā)明制備過程中采用了升溫階段通入逆向氣流的方法極大地增進(jìn)了橫向異質(zhì)結(jié)制備過程中的穩(wěn)定性，且確保了材料的性能，實驗過程簡潔，操作精確性高，能夠極大地提升相關(guān)材料制備的效率。

附圖說明

圖1為制備二維材料橫向異質(zhì)結(jié)及其超晶格的裝置示意圖；

圖2為實施例1制備的橫向異質(zhì)結(jié)ws2-wse2測試圖，其中，(a)為光學(xué)顯微鏡照片，(b)為拉曼測試光譜圖，(c)為光致發(fā)光譜圖；

圖3為實施例2制備的橫向異質(zhì)結(jié)ws2-mose2測試圖，其中，(a)為光學(xué)顯微鏡照片，(b)為拉曼測試光譜圖，(c)為光致發(fā)光譜圖；

圖4為實施例3制備的橫向異質(zhì)結(jié)ws2-mos2測試圖，其中，(a)為光學(xué)顯微鏡照片，(b)為拉曼測試光譜圖，(c)為光致發(fā)光譜圖；

圖5為實施例4制備的橫向異質(zhì)結(jié)wse2-mos2測試圖，其中，(a)為光學(xué)顯微鏡照片，(b)為拉曼測試光譜圖，(c)為光致發(fā)光譜圖；

圖6為實施例5制備的橫向異質(zhì)結(jié)wse2-mose2測試圖，其中，(a)為光學(xué)顯微鏡照片，(b)為拉曼測試光譜圖，(c)為光致發(fā)光譜圖；

圖7為實施例6制備的橫向異質(zhì)結(jié)ws2-wse2-mos2測試圖，其中，(a)為光學(xué)顯微鏡照片，(b)為拉曼成像圖；

圖8為實施例7制備的橫向異質(zhì)結(jié)ws2-mose2-wse2測試圖，其中，(a)為光學(xué)顯微鏡照片，(b)為拉曼成像圖；

圖9為實施例8制備的橫向異質(zhì)結(jié)ws2-mos2-ws2測試圖，其中，(a)為光學(xué)顯微鏡照片，(b)為拉曼成像圖；

圖10為實施例9制備的橫向異質(zhì)結(jié)ws2-wse2-ws2-wse2測試圖，其中，(a)為光學(xué)顯微鏡照片，(b)為拉曼成像圖；

圖11為對比例1制得的ws2-wse2的橫向異質(zhì)結(jié)光學(xué)顯微鏡照片；

圖12為對比例2制得的橫向異質(zhì)結(jié)ws2-wse2光學(xué)顯微鏡照片；

具體實施方式：

下面通過實施案例對本發(fā)明進(jìn)一步說明，但本發(fā)明的內(nèi)容不僅僅局限于下述內(nèi)容。

實施例1

一種二維材料橫向異質(zhì)結(jié)及其超晶格的制備方法，其具體的實施步驟如下：

(1)二維材料異質(zhì)結(jié)單組分材料ws2的制備，包括以下步驟：

稱取0.6gws2粉末源裝載于氧化鋁舟體中，放置在管式爐石英管(2cm管徑)中的中間高溫區(qū)域。在管式爐變溫沉積區(qū)域放置氧化硅片(si/300nmsio2)作為材料沉積用襯底。

先期通500sccm氬氣10min清洗管路，加熱過程中使用氬氣作為載氣，氣體流量分別為50sccm，升溫至生長溫度相關(guān)材料的生長溫度1150℃，經(jīng)5min生長時間，獲得沉積在氧化硅上的單層單晶tmds(ws2)納米片，其中單層納米片。

(2)二維材料橫向異質(zhì)結(jié)ws2-wse2的制備，包括以下步驟：

將0.6g橫向外延用二維材料粉體wse2裝載于氧化鋁舟中，放置到水平管式爐石英管(2cm管徑)中間高溫區(qū)域。

將1)步驟中制備的已經(jīng)沉積有單層二維材料ws2的氧化硅片放置于下游的管式爐變溫沉積區(qū)域。

先期通500sccm氬氣10min清洗管路，反應(yīng)升溫階段通入逆向氣流(ar300sccm)，達(dá)到材料外延生長溫度時，通入正向氣流，生長結(jié)束再次通入逆向氣流截止反應(yīng)，可獲得相應(yīng)的ws2-wse2橫向異質(zhì)結(jié)。其中相應(yīng)的生長溫度分別為wse2(1100℃)，生長時間wse2(1min)、正向氣流ar流量分別為wse2(120sccm)。

圖2為制備出樣品的光學(xué)圖像以及拉曼光譜測試圖，熒光成像圖譜，證實獲得的樣品無摻雜，各項性能指標(biāo)優(yōu)良。圖2中，(a)的標(biāo)尺為5μm。

實施例2

和實施例1相比，區(qū)別在于，步驟(2)中，采用的橫向外延用二維材料粉體為mose2(也即是采用mose2粉末替換實施例1步驟(2)的wse2粉末)；且mose2的生長溫度為1200℃，生長時間為30s，生長過程中的正向氣流ar流量分別為200sccm。制得二維材料橫向異質(zhì)結(jié)ws2-mose2。

圖3為制備出樣品的光學(xué)圖像以及拉曼光譜測試圖，熒光成像圖譜，證實獲得的樣品無摻雜，各項性能指標(biāo)優(yōu)良。圖3中，(a)的標(biāo)尺為5μm。

實施例3

和實施例1相比，區(qū)別在于，步驟(2)中，采用的橫向外延用二維材料粉體為mos2(也即是采用mos2粉末替換實施例1步驟(2)的wse2粉末)；且mos2的生長溫度為1200℃，生長時間為2s，生長過程中的正向氣流ar流量分別為300sccm。制得二維材料橫向異質(zhì)結(jié)ws2-mos2。

圖4為制備出樣品的光學(xué)圖像以及拉曼光譜測試圖，熒光成像圖譜，證實獲得的樣品無摻雜，各項性能指標(biāo)優(yōu)良。圖4中，(a)的標(biāo)尺為5μm。

實施例4

一種二維材料橫向異質(zhì)結(jié)及其超晶格的制備方法，其具體的實施步驟如下：

(1)二維材料異質(zhì)結(jié)單組分材料wse2的制備，包括以下步驟：

稱取0.8gwse2粉末源裝載于氧化鋁舟體中，放置在管式爐石英管(2cm管徑)中的中間高溫區(qū)域。在管式爐變溫沉積區(qū)域放置氧化硅片(si/300nmsio2)作為材料沉積用襯底。

先期通500sccm氬氣10min清洗管路，加熱過程中使用氬氣作為載氣，氣體流量分別為60sccm，升溫至生長溫度相關(guān)材料的生長溫度1160℃，經(jīng)5min生長時間，獲得沉積在氧化硅上的單層單晶tmds納米片，其中單層納米片。

(2)二維材料橫向異質(zhì)結(jié)wse2-mos2的制備，包括以下步驟：

將0.6g橫向外延用二維材料粉體mos2裝載于氧化鋁舟中，放置到水平管式爐石英管(2cm管徑)中間高溫區(qū)域。

將1)步驟中制備的已經(jīng)沉積有單層二維材料wse2的氧化硅片放置于下游的管式爐變溫沉積區(qū)域。

先期通500sccm氬氣10min清洗管路，反應(yīng)升溫階段通入逆向氣流(ar500sccm)，達(dá)到材料外延生長溫度時，通入正向氣流，生長結(jié)束再次通入逆向氣流截止反應(yīng)，可獲得相應(yīng)的wse2-mos2橫向異質(zhì)結(jié)。其中mos2生長溫度(1200℃)、生長時間2min、正向氣流ar流量分別為100sccm。

圖5為制備出樣品的光學(xué)圖像以及拉曼光譜測試圖，熒光成像圖譜，證實獲得的樣品無摻雜，各項性能指標(biāo)優(yōu)良。圖5中，(a)的標(biāo)尺為5μm。

實施例5

和實施例4相比，區(qū)別在于，步驟(2)中，采用mose2原料粉末替代實施例4步驟(2)的mos2；其中，mose2的生長溫度為1200℃，生長時間為為50s，正向氣流ar流量為100sccm。

通過實施例4，制得wse2-mose2橫向異質(zhì)結(jié)。

圖6為制備出樣品的光學(xué)圖像以及拉曼光譜測試圖，熒光成像圖譜，證實獲得的樣品無摻雜，各項性能指標(biāo)優(yōu)良。圖6中，(a)的標(biāo)尺為5μm。

實施例6

二維材料多異質(zhì)結(jié)包括ws2-wse2-mos2的制備。和實施例1相比，區(qū)別在于，還包括步驟(3)：

使用實施例1的2)中所述的方法，同時采用2)步驟中獲得的異質(zhì)結(jié)進(jìn)行進(jìn)一步的外延生長，采用合適的時間溫度以及載氣流量，進(jìn)一步在2)中獲得的異質(zhì)結(jié)的基礎(chǔ)上外延與前兩者不同的材料，可獲得相關(guān)的ws2-wse2-mos2多橫向異質(zhì)結(jié)。具體可為：

將0.6g橫向外延用二維材料粉體mos2裝載于氧化鋁舟中，放置到水平管式爐石英管(2cm管徑)中間高溫區(qū)域。

將實施例1制得的沉積有單層二維材料ws2-wse2的氧化硅片放置于下游的管式爐變溫沉積區(qū)域。

先期通500sccm氬氣10min清洗管路，反應(yīng)升溫階段通入逆向氣流(ar300sccm)，達(dá)到材料外延生長溫度時，通入正向氣流，生長結(jié)束再次通入逆向氣流截止反應(yīng)，可獲得相應(yīng)的ws2-wse2-mos2橫向異質(zhì)結(jié)。

其中，mos2的生長溫度為1180℃，生長時間為5min，反相載氣ar流量為300scccm，正向氣體ar流量分別為100sccm。

圖7為制備出樣品的光學(xué)圖像以及拉曼光譜掃描成像圖，圖7中，(a)的標(biāo)尺為5μm。(b)為制得的異質(zhì)結(jié)的拉曼光譜掃描成像圖，其中，所述的最內(nèi)層為350cm^-1的拉曼成像圖，標(biāo)記為粉色；中間層為250cm^-1的拉曼成像圖，標(biāo)記為綠色；最外層為405cm^-1的拉曼成像圖，標(biāo)記為藍(lán)色。從圖7可證實獲得的樣品無摻雜，性能指標(biāo)優(yōu)良。

實施例7

二維材料多異質(zhì)結(jié)包括ws2-mose2-wse2的制備。和實施例2相比，區(qū)別在于，還包括步驟(3)：

使用實施例2的2)中所述的方法，同時采用2)步驟中獲得的異質(zhì)結(jié)ws2-mose2進(jìn)行進(jìn)一步的外延生長，采用合適的時間溫度以及載氣流量，進(jìn)一步在2)中獲得的異質(zhì)結(jié)的基礎(chǔ)上外延與前兩者不同的材料，可獲得相關(guān)的ws2-mose2-wse2多橫向異質(zhì)結(jié)。具體可為：

將0.6g橫向外延用二維材料粉體wse2裝載于氧化鋁舟中，放置到水平管式爐石英管(2cm管徑)中間高溫區(qū)域。

將實施例2制得的沉積有單層二維材料ws2-mose2的氧化硅片放置于下游的管式爐變溫沉積區(qū)域。

先期通500sccm氬氣10min清洗管路，反應(yīng)升溫階段通入逆向氣流(ar300sccm)，達(dá)到材料外延生長溫度時，通入正向氣流，生長結(jié)束再次通入逆向氣流截止反應(yīng)，可獲得相應(yīng)的ws2-mose2-wse2橫向異質(zhì)結(jié)。

其中，wse2的生長溫度為1100℃，生長時間為1min、正向氣流ar流量分別為120sccm。

圖8為制備出樣品的光學(xué)圖像以及拉曼光譜掃描成像圖，圖8中，(a)的標(biāo)尺為5μm。(b)為制得的異質(zhì)結(jié)的拉曼光譜掃描成像圖，其中，所述的最內(nèi)層為350cm^-1的拉曼成像圖，標(biāo)記為紫色；中間層為240cm^-1的拉曼成像圖，標(biāo)記為紅色；最外層為250cm^-1的拉曼成像圖，標(biāo)記為綠色。從圖8可證實獲得的樣品無摻雜，性能指標(biāo)優(yōu)良。

實施例8

ws2-mos2-ws2

二維材料多異質(zhì)結(jié)包括ws2-mos2-ws2的制備。和實施例3相比，區(qū)別在于，還包括步驟(3)：

使用實施例3的2)中所述的方法，同時采用2)步驟中獲得的異質(zhì)結(jié)進(jìn)行進(jìn)一步的外延生長，采用合適的時間溫度以及載氣流量，進(jìn)一步在2)中獲得的異質(zhì)結(jié)的基礎(chǔ)上外延與前者不同的材料，可獲得相關(guān)的ws2-mos2-ws2多橫向異質(zhì)結(jié)。具體可為：

將0.6g橫向外延用二維材料粉體ws2裝載于氧化鋁舟中，放置到水平管式爐石英管(2cm管徑)中間高溫區(qū)域。

將實施例3制得的沉積有單層二維材料ws2-mos2的氧化硅片放置于下游的管式爐變溫沉積區(qū)域。

先期通500sccm氬氣10min清洗管路，反應(yīng)升溫階段通入逆向氣流(ar300sccm)，達(dá)到材料外延生長溫度時，通入正向氣流，生長結(jié)束再次通入逆向氣流截止反應(yīng)，可獲得相應(yīng)的ws2-mos2-ws2橫向異質(zhì)結(jié)。

其中，ws2的生長溫度為1150℃，生長時間ws2時間為1min，反相載氣ar流量為300scccm，ws2的正向氣體ar流量為50sccm。

圖9為制備出樣品的光學(xué)圖像以及拉曼光譜掃描成像圖，圖9中，(a)的標(biāo)尺為5μm。(b)為制得的異質(zhì)結(jié)的拉曼光譜掃描成像圖，其中，所述的最內(nèi)層為350cm^-1的拉曼成像圖，標(biāo)記為粉色；中間層為405cm^-1的拉曼成像圖，標(biāo)記為藍(lán)色；最外層為350cm^-1的拉曼成像圖，標(biāo)記為粉色。從圖9可證實獲得的樣品無摻雜，性能指標(biāo)優(yōu)良。

實施例9

ws2-wse2-ws2-wse2的制備

(1)二維材料異質(zhì)結(jié)單組分材料ws2的制備，包括以下步驟：

稱取0.6gws2粉末源裝載于氧化鋁舟體中，放置在管式爐石英管(2cm管徑)中的中間高溫區(qū)域。在管式爐變溫沉積區(qū)域放置氧化硅片(si/300nmsio2)作為材料沉積用襯底。

先期通500sccm氬氣10min清洗管路，加熱過程中使用氬氣作為載氣，氣體流量分別為50sccm，升溫至生長溫度相關(guān)材料的生長溫度1150℃，經(jīng)5min生長時間，獲得沉積在氧化硅上的單層單晶tmds(ws2)納米片，其中單層納米片。

(2)二維材料橫向異質(zhì)結(jié)ws2-wse2的制備，包括以下步驟：

將0.6g橫向外延用二維材料粉體wse2裝載于氧化鋁舟中，放置到水平管式爐石英管(2cm管徑)中間高溫區(qū)域。

將1)步驟中制備的已經(jīng)沉積有單層二維材料ws2的氧化硅片放置于下游的管式爐變溫沉積區(qū)域。

先期通500sccm氬氣10min清洗管路，反應(yīng)升溫階段通入逆向氣流(ar300sccm)，達(dá)到材料外延生長溫度時，通入正向氣流，生長結(jié)束再次通入逆向氣流截止反應(yīng)，可獲得相應(yīng)的ws2-wse2橫向異質(zhì)結(jié)。其中相應(yīng)的生長溫度分別為wse2(1100℃)，生長時間wse2(1min)、正向氣流ar流量分別為wse2(120sccm)。

(3)二維材料橫向異質(zhì)結(jié)ws2-wse2-ws2的制備，包括以下步驟：

將0.6g橫向外延用二維材料粉體ws2裝載于氧化鋁舟中，放置到水平管式爐石英管(2cm管徑)中間高溫區(qū)域。

將2)步驟中制備的已經(jīng)沉積有ws2-wse2的氧化硅片放置于下游的管式爐變溫沉積區(qū)域。

先期通500sccm氬氣10min清洗管路，反應(yīng)升溫階段通入逆向氣流(ar300sccm)，達(dá)到材料外延生長溫度時，通入正向氣流，生長結(jié)束再次通入逆向氣流截止反應(yīng)，可獲得相應(yīng)的ws2-wse2-ws2橫向異質(zhì)結(jié)。ws2的生長溫度為1150℃，生長時間ws2時間為1min，反相載氣ar流量為300scccm，ws2的正向氣體ar流量為50sccm。

(4)二維材料超晶格ws2-wse2-ws2-wse2的制備

將0.6g橫向外延用二維材料粉體wse2裝載于氧化鋁舟中，放置到水平管式爐石英管(2cm管徑)中間高溫區(qū)域。

將3)步驟中制備的已經(jīng)沉積有ws2-wse2-ws2的氧化硅片放置于下游的管式爐變溫沉積區(qū)域。

先期通500sccm氬氣10min清洗管路，反應(yīng)升溫階段通入逆向氣流(ar300sccm)，達(dá)到材料外延生長溫度時，通入正向氣流，生長結(jié)束再次通入逆向氣流截止反應(yīng)，可獲得相應(yīng)的ws2-wse2-ws2-wse2二維材料超晶格。wse2的生長溫度分別為1100℃，生長時間為1min、正向氣流ar流量分別為120sccm；反相載氣ar流量全部為300scccm。

圖10為制備出樣品的光學(xué)圖像以及拉曼光譜掃描成像圖，圖10中，(a)的標(biāo)尺為5μm。(b)為制得的異質(zhì)結(jié)的拉曼光譜掃描成像圖，其中，所述的最內(nèi)層和第三層為350cm^-1的拉曼成像圖，標(biāo)記為粉色；第二次和最外層為250cm^-1的拉曼成像圖，標(biāo)記為綠色。從圖10可證實獲得的樣品無摻雜，性能指標(biāo)優(yōu)良。

實施例10

ws2-wse2橫向異質(zhì)結(jié)

(1)二維材料異質(zhì)結(jié)單組分材料ws2的制備，包括以下步驟：

稱取0.6gws2粉末源裝載于氧化鋁舟體中，放置在管式爐石英管(2cm管徑)中的中間高溫區(qū)域。在管式爐變溫沉積區(qū)域放置氧化硅片(si/300nmsio2)作為材料沉積用襯底。

先期通500sccm氬氣10min清洗管路，加熱過程中使用氬氣作為載氣，氣體流量為100sccm，升溫至生長溫度1180℃，經(jīng)5min生長時間，獲得沉積在氧化硅上的單層單晶tmds(ws2)納米片，其中單層納米片。

(2)二維材料橫向異質(zhì)結(jié)ws2-wse2的制備，包括以下步驟：

將0.6g橫向外延用二維材料粉體wse2裝載于氧化鋁舟中，放置到水平管式爐石英管(2cm管徑)中間高溫區(qū)域。

將1)步驟中制備的已經(jīng)沉積有單層二維材料ws2的氧化硅片放置于下游的管式爐變溫沉積區(qū)域。

先期通500sccm氬氣10min清洗管路，反應(yīng)升溫階段通入逆向氣流(ar300sccm)，達(dá)到材料外延生長溫度時，通入正向氣流，生長結(jié)束再次通入逆向氣流截止反應(yīng)，可獲得相應(yīng)的ws2-wse2橫向異質(zhì)結(jié)。其中相應(yīng)的生長溫度分別為wse2(1120℃)，生長時間wse2(2min)、正向氣流ar流量分別為wse2(150sccm)。

實施例11

橫向異質(zhì)結(jié)wse2-mos2：

(1)二維材料異質(zhì)結(jié)單組分材料wse2的制備，包括以下步驟：

稱取0.8gwse2粉末源裝載于氧化鋁舟體中，放置在管式爐石英管(2cm管徑)中的中間高溫區(qū)域。在管式爐變溫沉積區(qū)域放置氧化硅片(si/300nmsio2)作為材料沉積用襯底。

先期通500sccm氬氣10min清洗管路，加熱過程中使用氬氣作為載氣，氣體流量分別為100sccm，升溫至生長溫度相關(guān)材料的生長溫度1150℃，經(jīng)5min生長時間，獲得沉積在氧化硅上的單層單晶tmds納米片，其中單層納米片。

(3)二維材料橫向異質(zhì)結(jié)wse2-mos2的制備，包括以下步驟：

將0.6g橫向外延用二維材料粉體mos2裝載于氧化鋁舟中，放置到水平管式爐石英管(2cm管徑)中間高溫區(qū)域。

將1)步驟中制備的已經(jīng)沉積有單層二維材料wse2的氧化硅片放置于下游的管式爐變溫沉積區(qū)域。

先期通500sccm氬氣10min清洗管路，反應(yīng)升溫階段通入逆向氣流(ar500sccm)，達(dá)到材料外延生長溫度時，通入正向氣流，生長結(jié)束再次通入逆向氣流截止反應(yīng)，可獲得相應(yīng)的wse2-mos2橫向異質(zhì)結(jié)。其中mos2生長溫度(1180℃)、生長時間3min、正向氣流ar流量分別為100sccm。

實施例12

ws2-wse2-ws2-wse2的制備

(1)二維材料異質(zhì)結(jié)單組分材料ws2的制備，包括以下步驟：

稱取0.6gws2粉末源裝載于氧化鋁舟體中，放置在管式爐石英管(2cm管徑)中的中間高溫區(qū)域。在管式爐變溫沉積區(qū)域放置氧化硅片(si/300nmsio2)作為材料沉積用襯底。

先期通500sccm氬氣10min清洗管路，加熱過程中使用氬氣作為載氣，氣體流量分別為100sccm，升溫至生長溫度相關(guān)材料的生長溫度1150℃，經(jīng)5min生長時間，獲得沉積在氧化硅上的單層單晶tmds(ws2)納米片，其中單層納米片。

(2)二維材料橫向異質(zhì)結(jié)ws2-wse2的制備，包括以下步驟：

將0.6g橫向外延用二維材料粉體wse2裝載于氧化鋁舟中，放置到水平管式爐石英管(2cm管徑)中間高溫區(qū)域。

將1)步驟中制備的已經(jīng)沉積有單層二維材料ws2的氧化硅片放置于下游的管式爐變溫沉積區(qū)域。

先期通500sccm氬氣10min清洗管路，反應(yīng)升溫階段通入逆向氣流(ar300sccm)，達(dá)到材料外延生長溫度時，通入正向氣流，生長結(jié)束再次通入逆向氣流截止反應(yīng)，可獲得相應(yīng)的ws2-wse2橫向異質(zhì)結(jié)。其中相應(yīng)的生長溫度分別為wse2(1120℃)，生長時間wse2(2min)、正向氣流ar流量分別為wse2(100sccm)。

(3)二維材料橫向異質(zhì)結(jié)ws2-wse2-ws2的制備，包括以下步驟：

將0.6g橫向外延用二維材料粉體ws2裝載于氧化鋁舟中，放置到水平管式爐石英管(2cm管徑)中間高溫區(qū)域。

將2)步驟中制備的已經(jīng)沉積有ws2-wse2的氧化硅片放置于下游的管式爐變溫沉積區(qū)域。

先期通500sccm氬氣10min清洗管路，反應(yīng)升溫階段通入逆向氣流(ar300sccm)，達(dá)到材料外延生長溫度時，通入正向氣流，生長結(jié)束再次通入逆向氣流截止反應(yīng)，可獲得相應(yīng)的ws2-wse2-ws2橫向異質(zhì)結(jié)。ws2的生長溫度為1150℃，生長時間ws2時間為2min，反相載氣ar流量為300scccm，ws2的正向氣體ar流量為100sccm。

(4)二維材料超晶格ws2-wse2-ws2-wse2的制備

將0.6g橫向外延用二維材料粉體wse2裝載于氧化鋁舟中，放置到水平管式爐石英管(2cm管徑)中間高溫區(qū)域。

將3)步驟中制備的已經(jīng)沉積有ws2-wse2-ws2的氧化硅片放置于下游的管式爐變溫沉積區(qū)域。

先期通500sccm氬氣10min清洗管路，反應(yīng)升溫階段通入逆向氣流(ar300sccm)，達(dá)到材料外延生長溫度時，通入正向氣流，生長結(jié)束再次通入逆向氣流截止反應(yīng)，可獲得相應(yīng)的ws2-wse2-ws2-wse2二維材料超晶格。wse2的生長溫度分別為1100℃，生長時間為2min、正向氣流ar流量分別為100sccm；反相載氣ar流量全部為300scccm。

對比例1

不通入逆向氣流制備ws2-wse2

和實施例1相比，區(qū)別在于，步驟(2)中，沒有使用逆向氣流在升溫階段進(jìn)行冷卻；升溫階段采用的正向氣流為120sccm，與生長時溫度相同。制得二維材料橫向異質(zhì)結(jié)ws2-wse2。

獲得的異質(zhì)結(jié)，外延區(qū)域為wse2多層島狀物，難以實現(xiàn)單層的平整的異質(zhì)結(jié)界面，如圖11所示。圖11的標(biāo)尺為5μm。

對比例2

和實施例1相比，區(qū)別在于，步驟(2)中，采用的橫向外延用二維材料粉體wse2的生長溫度為1200℃。

在該生長溫度條件下容易發(fā)生對第一種材料的高溫刻蝕，造成第一種材料的毀損，出現(xiàn)刻蝕孔洞，使得樣品制備失敗，如圖12所示。圖12的標(biāo)尺為5μm。