1.本技术涉及无机半导体技术领域，特别涉及一种二维层状-非层状范德华异质结构及制备方法、应用。
背景技术：2.二维材料具有原子级超薄的厚度，与硅基技术高度兼容，因此受到了研究人员越来越多的关注。由二维材料组装而成的异质结构-范德华异质结构逐渐兴起，提供一个全新的平台去实现单个材料无法实现的功能，例如隧道晶体管、发光二极管和太阳能电池等。目前的二维范德华异质结构主要基于二维层状材料之间的组合，与二维层状材料相比，二维非层状材料具有更丰富的材料体系，某些方面具有更突出的物理特性，与层状材料具有很强的互补性，例如iii-v族半导体具有直接带隙结构和比硅更高的载流子迁移率，金属硫族化合物具备突出的光电、光伏性能。如果能将这些非层状材料二维化，使其与二维层状材料结合为二维层状材料-二维非层状材料范德华异质结构，可解决二维层状材料与非层状材料集成时面临的多物理失配限制问题，将它们各自独特的功能有机的结合在一起，结合能带工程、界面工程等手段精准调控异质结构性能，可以实现更新颖的电子、光电子性质。
技术实现要素：3.本技术实施例提供一种二维层状-非层状范德华异质结构及制备方法，本技术提供的二维层状-非层状范德华异质结构将层状材料和非层状材料结合，可以实现材料特性的优势互补。
4.第一方面，本技术提供了一种二维层状-非层状范德华异质结构的制备方法，包括以下步骤：
5.采用机械剥离法或气相沉积法在基底上制备层状二硫化钼纳米片；
6.采用气相沉积法在云母衬底上制备非层状硒化铅纳米片；
7.在所述云母衬底上悬涂聚甲基丙烯酸甲酯并加热，形成聚甲基丙烯酸甲酯支撑膜；
8.移去云母衬底，则硒化铅纳米片粘附在聚甲基丙烯酸甲酯支撑膜上；
9.将硒化铅纳米片放置在二硫化钼纳米片上，利用有机溶剂溶解聚甲基丙烯酸甲酯支撑薄膜，即得到二维层状-非层状范德华异质结构。
10.一些实施例中，所述基底为si/sio2基底。
11.一些实施例中，si/sio2基底中sio2的厚度为100-300nm。
12.一些实施例中，层状二硫化钼纳米片的厚度为0.7-10nm，层状二硫化钼纳米片的横向尺寸为5-20μm。一些优选实施例中，层状二硫化钼纳米片的厚度为3-8nm。
13.一些实施例中，非层状硒化铅纳米片的厚度为5-100nm，非层状硒化铅纳米片的横向尺寸为20-50μm。一些优选实施例中，非层状硒化铅纳米片的厚度为30-50nm。
14.一些实施例中，加热的方式为在120℃条件下烘烤。
15.一些实施例中，所述有机溶剂为丙酮或氯仿。
16.第二方面，本技术还提供了利用上述制备方法制得的二维层状-非层状范德华异质结构。
17.一些实施例中，所述硒化铅纳米片和二硫化钼纳米片部分重叠。
18.第三方面，本技术还提供了上述二维层状-非层状范德华异质结构的应用，所述二维层状-非层状范德华异质结构用于制备晶体管、整流器和光电探测器。
19.本技术提供的技术方案带来的有益效果包括：本技术通过定位转移技术，对层状二硫化钼纳米片和非层状硒化铅纳米片进行人工堆垛，将二维层状材料和二维非层状材料结合制备得到范德华异质结构，解决了二维层状材料与二维非层状材料集成时面临的多物理失配限制问题，实现了材料特性的优势互补，可以实现超高的电流开关比(～108)、电流整流比(～106)，以及优异的光电性能。
附图说明
20.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1为本技术实施例提供的二维层状-非层状范德华异质结构的示意图；
22.图2为本技术实施例提供的二维层状-非层状范德华异质结构的制备方法的流程示意图；
23.图3为实施例1得到的二维层状-非层状范德华异质结构器件的光学显微镜图片；
24.图4为实施例1得到的二维层状-非层状范德华异质结构器件工作为晶体管时，器件在不同偏压条件下的电流-栅压转移曲线；
25.图5为实施例1得到的二维层状-非层状范德华异质结构器件工作为整流器时，器件在不同栅压条件下的电流-偏压输出曲线；
26.图6为实施例1得到的二维层状-非层状范德华异质结构器件工作为光电探测器时，在473nm入射激光下的器件性质；
27.图7为实施例1得到的二维层状-非层状范德华异质结构器件在473nm入射激光以及不同栅压条件下的光开光变化图；
28.图8为实施例2得到的二维层状-非层状范德华异质结构器件工作为晶体管时，器件在不同偏压条件下的电流-栅压转移曲线；
29.图9为实施例2得到的二维层状-非层状范德华异质结构器件工作为整流器时，器件在不同栅压条件下的电流-偏压输出曲线。
具体实施方式
30.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
31.本技术实施例提供了一种二维层状-非层状范德华异质结构，本技术提供的二维层状-非层状范德华异质结构将层状材料和非层状材料结合，可以实现材料特性的优势互补。
32.图1是本技术实施例提供的二维层状-非层状范德华异质结构的示意图，参考图1，本技术提供的二维层状-非层状范德华异质结构包括从下到上依次设置在si/sio2基底上的层状二硫化钼纳米片和非层状硒化铅纳米片，层状二硫化钼纳米片为n型半导体，非层状硒化铅纳米片为p型半导体，层状二硫化钼纳米片和非层状硒化铅纳米片既有重叠的区域，又有未重叠的区域。
33.si/sio2基底中sio2的厚度为100-300nm，层状二硫化钼纳米片的厚度为0.7-10nm，非层状硒化铅纳米片的厚度为5-100nm。
34.参考图2，本技术实施例还提供了一种二维层状-非层状范德华异质结构的制备方法，包括以下步骤：
35.步骤s101，采用机械剥离法或气相沉积法在si/sio2基底上制备层状二硫化钼纳米片，并通过光学显微镜选定，sio2的厚度为100-300纳米；
36.步骤s102，采用气相沉积法在云母衬底上制备非层状硒化铅纳米片，并通过光学显微镜选定；
37.步骤s103，在表面有硒化铅纳米片的云母衬底上悬涂聚甲基丙烯酸甲酯并用加热板在120℃条件下烘烤10分钟，形成聚甲基丙烯酸甲酯支撑膜；
38.步骤s104，在去离子水中，将聚甲基丙烯酸甲酯支撑膜与云母衬底分离，移去云母衬底，硒化铅纳米片粘附在聚甲基丙烯酸甲酯支撑膜上；
39.步骤s105，在光学显微镜的辅助下，将硒化铅纳米片人工放置在二硫化钼纳米片上，利用有机溶剂溶解聚甲基丙烯酸甲酯支撑薄膜，即得到二维层状-非层状范德华异质结构；有机溶剂选用丙酮或氯仿。
40.将上述二维层状-非层状范德华异质结构与两个金属电极连接可以制备异质结构器件，参考图1，其中一个金属电极放在层状二硫化钼纳米片上作为漏极，另外一个金属电极放在非层状硒化铅纳米片上作为源极，金属电极通过标准电子束曝光或光刻和金属沉积方法制备，金属电极的材质为金、银、铜、铬、钯、铂、铱、镍中的一种或多种。在一些优选实施例中，金属电极的沉积顺序为铬、金，铬层的厚度为5-15nm，金层的厚度为40-80nm。
41.异质结构器件可以用来制备晶体管、整流器和光电探测器。
42.下面结合实施例对本技术提供的二维层状-非层状范德华异质结构及其制备方法进行详细说明。
43.实施例1：
44.本技术实施例1提供了一种二维层状-非层状范德华异质结构的制备方法，包括以下步骤：
45.步骤s101，采用胶带机械剥离块体二硫化钼材料，在si/sio2基底上制备二维层状二硫化钼纳米片，其中sio2的厚度为300nm，二硫化钼纳米片通过光学显微镜和原子力显微镜选定，其厚度为6.2nm；
46.步骤s102，采用化学气相沉积的方法在云母衬底上合成二维非层状硒化铅纳米片，并通过光学显微镜和原子力显微镜选定，其厚度为43nm；
47.步骤s103，在表面有硒化铅纳米片的云母衬底上悬涂聚甲基丙烯酸甲酯，并用加热板在120℃条件下烘烤10分钟，形成聚甲基丙烯酸甲酯支撑膜；
48.步骤s104，在去离子水中，将聚甲基丙烯酸甲酯支撑膜与云母衬底分离，移除云母衬底，硒化铅纳米片粘附在聚甲基丙烯酸甲酯支撑膜上；
49.步骤s105，在光学显微镜的辅助下，将硒化铅纳米片人工放置在二硫化钼纳米片上，转移后用丙酮溶去聚甲基丙烯酸甲酯支撑薄膜，即在si/sio2基底上制备出二维层状-非层状范德华异质结构。
50.将得到的二维层状-非层状范德华异质结构与两个金属电极连在一起构成范德华异质结构器件，其中一个金属电极放在层状二硫化钼纳米片上作为漏极，另外一个金属电极放在非层状硒化铅纳米片上作为源极。其中，金属电极通过标准电子束曝光工艺和金属镀膜工艺制备，金属电极的金属沉积顺序为铬、金，铬层的厚度为10nm，金层的厚度为50nm。
51.实施例1中，采用化学气相沉积的方法在云母衬底上合成二维非层状硒化铅纳米片的具体过程为：将硒粉末和硒化铅粉末分别置于双温区管式炉的前温区和后温区的中心，将云母衬底放置于硒化铅粉末的正上方作为材料的生长基底；向双温区管式炉持续通入氢氩混合气作为载气，硒蒸汽和硒化铅蒸汽反应并在云母基底上生长，生长10分钟后自然冷却至室温，即在云母表面得到二维非层状硒化铅纳米片。
52.图3为实施例1得到的二维层状-非层状范德华异质结构器件的光学显微镜图片。
53.图4为实施例1得到的二维层状-非层状范德华异质结构器件工作为晶体管时，器件在不同偏压条件下的电流-栅压转移曲线，由图4a和4b可以看出，器件展现出超高电流开关比，电流开关比最大可达～108。其中，晶体管的电流开关比定义为开态电流和关态电流的比值。
54.图5为实施例1得到的二维层状-非层状范德华异质结构器件工作为整流器时，器件在不同栅压条件下的电流-偏压输出曲线。由图5可以看到，器件展现出明显的整流效应，电流整流比最大可达～106。其中，整流器的电流整流比定义为反向偏压(实施例1中设置为-3伏特)下的电流与正向偏压(实施例1中设置为3伏特)下的电流之比。
55.图6为实施例1得到的二维层状-非层状范德华异质结构器件工作为光电探测器时，在473nm入射激光下的器件性质。其中，图6a为不同激光功率下器件电流随栅压的变化关系，图6b为不同激光功率下器件响应度随栅压的变化关系。由图6可以看到，器件响应度最大可达～103安培每瓦特，展现出优异的光电性能。
56.图7为实施例1得到的二维层状-非层状范德华异质结构器件在473nm入射激光以及不同栅压条件下的光开光变化图。由图7可以看到，器件有明显的开关电流，并且没有随时间衰减，具有良好的稳定性。
57.实施例2：
58.本技术实施例2提供了一种二维层状-非层状范德华异质结构的制备方法，包括以下步骤：
59.步骤s101，采用化学气相沉积的方法直接在si/sio2基底上合成二硫化钼纳米片，sio2的厚度为300nm，二硫化钼纳米片通过光学显微镜和原子力显微镜选定，其厚度为0.7nm；
60.步骤s102，采用化学气相沉积的方法在云母衬底上合成二维非层状硒化铅纳米
片，并通过光学显微镜和原子力显微镜选定，其厚度为43.7nm；
61.步骤s103，在表面有硒化铅纳米片的云母衬底上悬涂聚甲基丙烯酸甲酯，并用加热板在100℃条件下烘烤20分钟，形成聚甲基丙烯酸甲酯支撑膜；
62.步骤s104，在去离子水中，将聚甲基丙烯酸甲酯支撑膜与云母衬底分离，移去云母衬底，硒化铅纳米片粘附在聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)支撑膜上；
63.步骤s105，在光学显微镜的辅助下，将硒化铅纳米片人工放置在二硫化钼纳米片上，转移后用丙酮溶去聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)支撑薄膜，即在si/sio2基底上制备出二维层状-非层状范德华异质结构。
64.将得到的二维层状-非层状范德华异质结构与两个金属电极连在一起构成范德华异质结器件，其中一个金属电极放在层状二硫化钼纳米片上作为漏极，另外一个金属电极放在非层状硒化铅纳米片上作为源极。其中，金属电极通过光刻工艺和金属镀膜工艺制备，金属电极的金属沉积顺序为铬、金，铬层的厚度为6nm，金层的厚度为60nm。
65.实施例2中合成二维非层状硒化铅纳米片的过程同实施例1。
66.图8为实施例2得到的二维层状-非层状范德华异质结构器件工作为晶体管时，器件在不同偏压条件下的电流-栅压转移曲线。由图8可以看到，器件展现出超高电流开关比，电流开关比最大可达～105。其中，晶体管的电流开关比定义为开态电流和关态电流的比值。
67.图9为实施例2得到的二维层状-非层状范德华异质结构器件工作为整流器时，器件在不同栅压条件下的电流-偏压输出曲线。由图9可以看到，器件展现出明显的整流效应，电流整流比最大可达～103。其中，整流器的电流整流比定义为反向偏压(实施例2中设置为-2伏特)下的电流与正向偏压(实施例2中设置为2伏特)下的电流之比。
68.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。
69.需要说明的是，在本技术中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。在本技术中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的规定。
70.以上所述仅是本技术的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本技术。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本技术的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本技术
将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
技术特征：1.一种二维层状-非层状范德华异质结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：采用机械剥离法或气相沉积法在基底上制备层状二硫化钼纳米片；采用气相沉积法在云母衬底上制备非层状硒化铅纳米片；在所述云母衬底上悬涂聚甲基丙烯酸甲酯并加热，形成聚甲基丙烯酸甲酯支撑膜；移去云母衬底，则硒化铅纳米片粘附在聚甲基丙烯酸甲酯支撑膜上；将硒化铅纳米片放置在二硫化钼纳米片上，利用有机溶剂溶解聚甲基丙烯酸甲酯支撑薄膜，即得到二维层状-非层状范德华异质结构。2.根据权利要求1所述的二维层状-非层状范德华异质结构的制备方法，其特征在于，所述基底为si/sio2基底。3.根据权利要求2所述的二维层状-非层状范德华异质结构的制备方法，其特征在于，si/sio2基底中sio2的厚度为100-300nm。4.根据权利要求1所述的二维层状-非层状范德华异质结构的制备方法，其特征在于，层状二硫化钼纳米片的厚度为0.7-10nm。5.根据权利要求1所述的二维层状-非层状范德华异质结构的制备方法，其特征在于，非层状硒化铅纳米片的厚度为5-100nm。6.根据权利要求1所述的二维层状-非层状范德华异质结构的制备方法，其特征在于，加热的方式为在120℃条件下烘烤。7.根据权利要求1所述的二维层状-非层状范德华异质结构的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为丙酮或氯仿。8.利用权利要求1-7任一项所述制备方法制得的二维层状-非层状范德华异质结构，其特征在于，所述二维层状-非层状范德华异质结构包括从下到上依次设置在si/sio2基底上的层状二硫化钼纳米片和非层状硒化铅纳米片。9.根据权利要求8所述的二维层状-非层状范德华异质结构，其特征在于，所述硒化铅纳米片和二硫化钼纳米片部分重叠。10.权利要求8所述二维层状-非层状范德华异质结构的应用，其特征在于，所述二维层状-非层状范德华异质结构用于制备晶体管、整流器和光电探测器。
技术总结本申请涉及无机半导体技术领域，特别涉及一种二维层状-非层状范德华异质结构及制备方法、应用。本申请提供的二维层状-非层状范德华异质结构的制备方法包括以下步骤：采用机械剥离法或气相沉积法在基底上制备层状二硫化钼纳米片；采用气相沉积法在云母衬底上制备非层状硒化铅纳米片；在所述云母衬底上悬涂聚甲基丙烯酸甲酯并加热，形成聚甲基丙烯酸甲酯支撑膜；移去云母衬底，则硒化铅纳米片粘附在聚甲基丙烯酸甲酯支撑膜上；将硒化铅纳米片放置在二硫化钼纳米片上，利用有机溶剂溶解聚甲基丙烯酸甲酯支撑薄膜，即得到二维层状-非层状范德华异质结构。德华异质结构。德华异质结构。
技术研发人员：何军 尹蕾 程瑞清 姜健
受保护的技术使用者：武汉大学
技术研发日：2022.07.06
技术公布日：2022/11/1
