一种提高单层过渡金属硫化物材料发光性能的方法

摘要

本发明涉及一种采用无机盐对单层过渡金属硫化物（TMDCs）材料表面处理来提高其发光性能的方法，属于二维材料发光领域；该方法主要由化学气相沉积法或机械剥离制备单层TMDCs材料和滴涂法对单层TMDCs进行表面化学盐溶液修饰两部分组成；其原理是：无机盐中的阴离子与单层TMDCs材料表面存在的悬键结合成化学键，修补了单层TMDCs材料表面本身存在的结构缺陷，减少了材料内部的非辐射复合中心，改善了单层TMDCs材料的发光性能；本发明通过无机盐类对单层TMDCs材料进行表面处理调节了材料本身的发光机制，提高了其发光强度并使发光强度的空间分布变得均匀，填补了无机盐类来改善单层TMDCs材料发光性能的空白；本发明可广泛应用于单层TMDCs材料光电探测器等纳米光电子领域。

权利要求

1.一种提高单层过渡金属硫化物材料发光性能的方法，其特征在于，包括以下步骤，步骤A：采用化学气相沉积法制备呈现规则三角形状的单层TMDCs材料，或采用机械剥离得到的单层TMDCs材料；

步骤B：配置无机盐产品，所述无机盐产品的溶质为A2X和AY，其中A代表Na+和K+，X代表S2-、SO32-和SO42-，Y代表Cl-、F-、Br-、HS-和NO3-。

步骤C：使用步骤B产品对所述单层TMDCs材料进行表面化学处理，所述表面化学处理指全面均匀覆盖；

步骤D：使用无水乙醇和超纯水混合溶液对步骤C获得的产品进行清洗并吹干。

2.根据权利要求1所述的提高单层过渡金属硫化物材料发光性能的方法，其特征在于：步骤B中无机盐产品以无机盐溶液或无机盐蒸气的形式存在。

3.根据权利要求2所述的提高单层过渡金属硫化物材料发光性能的方法，其特征在于：所述无机盐溶液的溶剂为去离子水、甲醇和乙醇中的一种或几种。

4.根据权利要求3所述的提高单层过渡金属硫化物材料发光性能的方法，其特征在于：所述步骤C中表面化学处理采用滴涂，旋涂和浸润中的一种或几种。

5.根据权利要求4所述的提高单层过渡金属硫化物材料发光性能的方法，其特征在于：所述无机盐溶液配置的过程中采用的温度范围为20℃至100℃。

6.根据权利要求5所述的提高单层过渡金属硫化物材料发光性能的方法，其特征在于：无机盐蒸气处理环境为常压大气环境或常压氩气、氮气保护气的环境中的一种或几种。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的提高单层过渡金属硫化物材料发光性能的方法，其特征在于：所述TMDCs为WS2或MoS2中的一种或两种。

8.一种权利要求1-7中任一项所述的提高单层过渡金属硫化物材料发光性能的方法的应用，其特征在于：应用于发光二极管、光电探测领域。

说明书

一种提高单层过渡金属硫化物材料发光性能的方法

技术领域

[0001] 本发明属于二维材料发光性能领域，尤其是一种利用无机盐来进行表面处理来提高单层过渡金属硫化物材料发光性能的方法。

背景技术

[0002] MoS2和WS2等单层过渡金属硫化物(TMCDs)由于具有独特的光学、电学性质而引起了广泛的研究。以WS2为例，作为一种典型的TMCDs材料具有优异的光致发光性能且量子产率高等特点，在光电检测、发光二极管等方面有广泛的应用前景。单层WS2可通过机械剥离或化学气相沉积法制备得到。我们以化学气相沉积法制备得到的大面积高质量单层WS2为例，其生长过程为由点到面的拓展过程，其形状由生长初期的晶核点演变为最终规则的三角形。在单层WS2材料生长初期由于晶核生长较快或化学气相沉积过程中H2的使用导致晶核周围存在较多的S空位，形成了材料表面的缺陷态，成为了光生激子的非辐射复合中心。这造成了三角形状的单层WS2的边缘位置具有较强的发光强度，而中心位置的发光强度较弱，单层WS2材料的发光强度的空间分布呈现出了不均匀性。单层TMCDs材料的发光性能尤其是发光强度的空间分布不均匀的这种物理现象一直是二维材料发光领域的研究热点。寻求一种切实可行的方法来提高并均匀化单层TMCDs材料的发光强度，对进一步拓展MoS2、WS2等二维过渡金属硫化物材料在纳米光电子器件方面的应用意义重大。

发明内容

[0003] 本发明的主要目的是提供一种切实可行的无机盐表面处理法来提高单层TMCDs材料的发光性能并实现其发光强度空间分布的均匀性。该方法易于操作且对单层TMCDs发光性能的改善明显，通过无机盐的处理来实现单层TMCDs发光机制的调节且对其发光强度进行调节，使三角形状的单层TMCDs的边缘位置及中心位置的发光强度均明显提高且两个位置的发光强度趋于一致。

[0004] 本实用新型是这样实现的，一种提高单层过渡金属硫化物材料发光性能的方法，包括以下步骤，

[0005] 步骤A：采用化学气相沉积法制备呈现规则三角形状的单层TMDCs材料，或采用机械剥离得到的单层TMDCs材料；

[0006] 步骤B：配置无机盐产品；

[0007] 步骤C：使用步骤B产品对所述单层TMDCs材料进行表面化学处理，所述表面化学处理指全面均匀覆盖；

[0008] 步骤D：使用无水乙醇和超纯水混合溶液对步骤C获得的产品进行清洗并吹干。

[0009] 本实用新型的进一步技术方案是：步骤B中无机盐产品以无机盐溶液或无机盐蒸气的形式存在，通过对单层TMDCs的表面进行化学修饰，使二维材料的发光强度提高一个数量级且发光强度的空间分布趋于均匀。

[0010] 本实用新型的进一步技术方案是：所述无机盐溶液溶质为A2X和AY，其中A代表Na+和K+，X代表S2-、SO32-和SO42-，Y代表Cl-、F-、Br-、HS-和NO3-。

[0011] 本实用新型的进一步技术方案是：无机盐溶液的溶剂为去离子水、甲醇和乙醇中的一种或几种。

[0012] 本实用新型的进一步技术方案是：所述步骤C中表面化学处理采用滴涂，旋涂和浸润中的一种或几种。

[0013] 本实用新型的进一步技术方案是：所述无机盐溶液配置的过程中采用的温度范围为20℃至100℃。

[0014] 本实用新型的进一步技术方案是：所述无机盐蒸汽为A2X和AY，其中A代表Na+和K+，X代表S2-、SO32-和SO42-，Y代表Cl-、F-、Br-、HS-和NO3-。

[0015] 本实用新型的进一步技术方案是：无机盐蒸气处理环境为常压大气环境或常压氩气、氮气保护气的环境中的一种或几种。

[0016] 本实用新型的进一步技术方案是：所述TMDCs为WS2或MoS2中的一种或两种。

[0017] 本发明的另一目的在于提供一种基于前述提高单层过渡金属硫化物材料发光性能的方法的应用，其应用于发光二极管、光电探测领域。

[0018] 本实用新型的有益效果是：本发明所述的提高单层TMCDs材料的发光性能的方法主要由以下两部分组成：化学气相沉积法制备单层TMCDs材料和滴涂法对单层TMCDs进行表面化学盐溶液修饰。本发明的原理是在化学处理过程中，A2X(A代表Na+和K+，X代表S2-、SO32-和SO42-)和AY(A代表Na+和K+，Y代表Cl-、F-、Br-、HS-和NO3-)盐溶液中的X2-和Y-优先与单层TMCDs材料表面缺陷态处的悬键结合成化学键，修补了单层TMCDs材料本身存在的结构缺陷，使三角形状的TMCDs中心位置的非辐射复合中心极大地减少，最终改善了该材料的发光性能。

[0019] 本发明通过无机盐类对单层TMDCs材料进行表面处理调节了材料本身的发光机制，提高了其发光强度并使发光强度的空间分布变得均匀，填补了无机盐类来改善单层TMDCs材料发光性能的空白；本发明可广泛应用于单层TMDCs材料光电探测器等纳米光电子领域。

附图说明

[0020] 为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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申请中记载的一些实施例，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。

[0021] 图1：实施例1中所述化学气相沉积法制备单层TMCDs材料的示意图。

[0022] 图2：实施例1中所述无机盐溶液处理单层TMCDs材料过程示意图。

[0023] 图3：实施例1中所述无机盐溶液处理前后单层WS2材料的发光强度图。

[0024] 图4：实施例1中所述无机盐溶液处理前后单层WS2材料发光强度的空间分布图。

[0025] 图5：实施例1中所述无机盐溶液处理前后单层WS2材料低温荧光图。

具体实施方式

[0026] 本发明提供一种无机盐表面处理来提高单层TMCDs材料发光性能的方法。以下结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

[0027] 实施例1：Na2S盐溶液对单层WS2材料进行表面修饰

[0028] 其中，图1为所述的化学气相沉积法制备单层TMCDs材料的示意图。我们以单层WS2材料为例，其制备过程以WO3粉末2为钨源，以S粉1为S源和还原剂，环境为H2/Ar的混合气氛4。可通过调节化学气相沉积生长过程中的条件可以在蓝宝石衬底3上制备得到大面积、高质量的单层WS2材料。

[0029] 图2为化学盐溶液处理单层TMCDs材料过程示意图。处理过程使负载有单层TMCDs材料的衬底7形成具有小角度的斜面，采用滴涂的方法将无机盐溶液6滴加于负载有单层TMCDs材料的衬底7表面且保持一定时间，使盐溶液6与负载有单层TMCDs材料的衬底7表面充分作用。

[0030] 1.样品制备过程

[0031] 1)用化学气相沉积法制备单层WS2材料，如图1为该装置相应的示意图。称取0.5g WO3粉末2于两英寸的石英舟中作为钨源，放于化学气相沉积装置的下游位置，即图1中的区域1，并在该区域放置清洗干净的蓝宝石衬底3；称取1g S粉1于两英寸的石英舟中作为S源及还原剂，放于化学气相沉积装置的上游位置，即图1中的区域1。实验在常压中进行，环境为H2/Ar的混合气氛4。样品制备前，设置区域1的控温程序为保持室温25min，随后以10℃/min的升温速率升温至120℃并保持10min，最后程序结束，区域2冷却至室温；设置区域2的控温程序为以18℃/min的升温速率由室温升至200℃保持5min,随后以35℃/min的升温速率升温至900℃并保持10min，最后程序结束，区域2冷却至室温。

[0032] 2)配置Na2S盐溶液。将无水甲醇与超纯水以体积比为1：1混合均匀，以溶液的摩尔浓度为0.02M称取Na2S粉体加入其中，搅拌30min得到澄清溶液。

[0033] 2.样品的化学处理

[0034] 用Na2S盐溶液对单层WS2材料进行表面化学处理，如图2为该过程的示意图。将负载有单层WS2材料的蓝宝石衬底7的一端轻微支起使其形成一个小角度的斜面，随后采用移液管5移取1ml的Na2S溶液6并将其滴涂于负载有单层WS2材料的蓝宝石衬底7上。蓝宝石衬底7形成的小斜面可以保证Na2S溶液6缓慢均匀地覆盖整个样品表面，达到对样品全面修饰的效果。保持10min后，继续将无水甲醇与超纯水的混合溶液滴加于负载有单层WS2材料的蓝宝石衬底7表面，清洗多余的Na2S溶液6，最后用高纯氮气将负载有单层WS2材料的蓝宝石衬底7吹干备用。

[0035] 3.样品的荧光性能测试

[0036] 通过共聚焦拉曼显微镜(WITec Instrument GmbH)对样品的荧光性能进行评估。测试过程中，激发光波长为532nm，测试温度为常温。通过对比化学处理前后测试的结果，来揭示化学无机盐溶液法处理对单层WS2材料发光性能的影响。测试结果如图3和图4所示，图
3为盐溶液处理前后样品边缘位置及中间位置的发光强度，图4为盐溶液处理前后样品发光强度的空间分布。

[0037] 4.样品的低温荧光性能测试

[0038] 通过WITec Instrument GmbH搭载的低温腔对样品的低温荧光性能进行评估。测试过程中，激发光波长为532nm，测试温度为77K-300K。通过对比化学处理前后测试的结果，来揭示无机盐处理对单层WS2材料发光机制的影响。测试结果如图5所示，表明无机盐溶液的表面处理有效地改善了单层WS2材料的发光机制。

[0039] 以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。