一种双层3R-MoS2堆垛纳米带及其制备方法和应用

本申请涉及二维材料制备，具体涉及一种双层3r-mos2堆垛纳米带及其制备方法和应用。

背景技术：

1、二硫化钼（mos2）纳米带作为一种典型的一维准限域纳米材料，因其显著的量子限域效应和原子级边缘态特征，在超高密度存算一体化架构及自旋电子器件领域展现出巨大的应用潜力。尤其是当纳米带具有锯齿型（zigzag）边缘时，其展现出的本征磁性与边缘局域金属态，为开发新型量子芯片提供了独特的物理平台。为了进一步诱导室温滑移铁电性、高能谷极化率及强非线性光学响应，需要将该一维结构精准控制为具有非中心对称堆叠特性的双层3r晶相。然而，由于3r相在热力学上属于亚稳态，在制备过程中极易向稳定的2h相转化，且实现一维纳米带形貌与三维菱方晶格堆叠的双重精准控制具有极高的工艺难度。

2、目前，制备双层3r-mos2纳米带主要依赖自上而下的物理剥离、等离子体刻蚀，或自下而上的气相沉积技术。然而，剥离法产率低下且位置随机，无法实现规模化集成；等离子体刻蚀易在纳米带边缘引入严重损伤和悬挂键，导致载流子迁移率断崖式下降；传统化学气相沉积（cvd）则面临热应力积累、畴壁钉扎及相纯度难以控制等问题。因此，开发出一种能够直接生长、结构完整且具有纯度高的双层3r-mos2纳米带制备方法，已成为目前的热点。

技术实现思路

1、本发明旨在解决现有技术中的上述问题，本申请第一方面提供一种双层3r-mos2堆垛纳米带的制备方法，包括以下步骤：

2、（1）衬底预处理：采用c面蓝宝石衬底，进行氧等离子体清洗；

3、（2）钼源负载：在所述衬底表面旋涂浓度为0.01-0.09 mol/l的na2moo4溶液，得到负载钼源的衬底；

4、（3）硫源预处理：将硫粉置于坩埚中，在150-180℃下熔融、冷却形成致密硫块；

5、（4）气相沉积：将负载钼源的衬底置于双温区管式炉的高温区，将所述硫块分别置于双温区管式炉的低温区，通入co2与ar/h2混合气体进行反应，其中，co2与ar/h2混合气体的气流方向从低温区通向高温区，获得双层3r-mos2堆垛纳米带；

6、其中，高温区采用两阶段升温：先由室温升至500℃，再升至900-1000℃并保温10-15 min；

7、其中，低温区采用两阶段升温：先由室温升至100℃，再升至180-200℃并保温10-15 min；

8、其中，co2流量为10-20 sccm，ar/h2混合气体总流量为3-5 sccm，所述ar/h2混合气体中h2的体积占比为10%。

9、本发明通过系统性实验发现，化学气相沉积法生长双层3r-mos2纳米带存在一个狭窄的参数窗口。在该窗口内，衬底温度、硫源温度、co2流量及微量h2比例四者协同作用，共同调控了前驱体供给速率、表面原子迁移能力及边缘成核取向，从而实现对3r相结构和纳米带形貌的选择性生长。偏离任一参数，产物均会转向2h相或非目标形貌。高温区（衬底）控制在900-1000℃并保温10-15 min，该温度使na2moo4充分转化且表面原子扩散长度适中；过低则产物无序，过高则趋向稳定的2h相。低温区（硫源）控制在180-200℃，经两阶段升温以获得稳定适中的硫分压，避免硫空位或过度多层生长。两温区的升温程序在时间上匹配，确保钼源转化与硫供给同步。co2流量控制在10-20 sccm，作为吸附位点有序吸附于表面层，通过范德华力重构打破2h与3r堆垛的能量简并，从而诱导取向一致的3r堆垛的形成。ar/h2混合气体中h2占比10%、总流量3-5 sccm，微量h2作为边缘刻蚀剂，优先抑制mos2的横向二维扩展，强制一维生长形成纳米带。加热前以80-90 sccm co2预通气1-2 min，用于清除管内残余空气与水分。上述参数共同限定了过饱和度、各向异性因子与相稳定性三者匹配的狭窄窗口，只有在该窗口内，才能同时实现一维各向异性生长与双层3r堆垛的稳定。

10、上述的制备方法，优选的，步骤（1）中，所述氧等离子体清洗的参数为：通入o2流量为150-200 sccm，功率为20-30 w，时间为60 s。

11、上述的制备方法，优选的，步骤（2）中，所述旋涂的参数为：先在1000 rpm下旋涂10s，再在3000-6000 rpm下旋涂30 s。

12、上述的制备方法，优选的，步骤（4）中，在反应前，先以80-90 sccm的流量通入co21-2 min以排除管内杂质气体。

13、上述的制备方法，优选的，步骤（4）中，所述高温区第一阶段升温时间为5-6 min，第二阶段升温时间为9-10 min。

14、上述的制备方法，优选的，步骤（4）中，所述低温区第一阶段升温时间为10-13min，第二阶段升温时间为2-5 min。

15、上述的制备方法，优选的，还包括产物判定的步骤：通过拉曼光谱检测产物，当呼吸模与剪切模的峰值比大于0.9时，判定产物为双层3r-mos2堆垛纳米带。

16、本申请第二方面提供一种双层3r-mos2堆垛纳米带，由上述制备方法制备得到。

17、本申请第三方面提供一种由上述的制备方法制备获得的双层3r-mos2堆垛纳米带或如上述的双层3r-mos2堆垛纳米带在电子器件、光电器件、传感器件、储能器件或催化制氢设备中的应用。

18、与现有技术相比，本申请具有如下有益效果：

19、（1）本发明通过协同调控衬底温度、硫源温度、co2流量及微量h2比例四个关键参数，创造了一个精确匹配的生长窗口，成功抑制了热力学稳定的2h相生成，将生长路径导向了亚稳态的3r堆垛结构。产物纯度高，结构完整，解决了传统cvd方法中3r相难获得、纯度低的问题，为双层3r-mos2堆垛纳米带在电子器件、光电器件、传感器件、储能器件或催化制氢设备中的应用提供了根本性的保证。

20、（2）本发明通过引入微量h2的边缘刻蚀作用，有效抑制了mos2的横向二维扩展，强制其沿单一方向进行一维各向异性生长，从而获得形貌规整的纳米带。

21、（3）本发明将硫粉熔融冷凝为致密块体，消除了“爆发式”升华，并采用了两温区同步、分阶段的升温程序，确保了钼源转化与硫蒸气供给的稳定与同步。

1.一种双层3r-mos2堆垛纳米带的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述氧等离子体清洗的参数为：通入o2流量为150-200 sccm，功率为20-30 w，时间为60 s。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述旋涂为：先在1000rpm下旋涂10 s，再在3000-6000 rpm下旋涂30 s。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（4）中，在反应前，先以80-90sccm的流量通入co21-2 min以排除管内杂质气体。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（4）中，所述高温区第一阶段升温时间为5-6 min，第二阶段升温时间为9-10 min。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（4）中，所述低温区第一阶段升温时间为10-13 min，第二阶段升温时间为2-5 min。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，还包括产物判定的步骤：通过拉曼光谱检测产物，当呼吸模与剪切模的峰值比大于0.9时，判定产物为双层3r-mos2堆垛纳米带。

8.一种双层3r-mos2堆垛纳米带，其特征在于，由权利要求1-7中任一项所述制备方法制备得到。

9.一种由权利要求1～7中任一项所述的制备方法制备获得的双层3r-mos2堆垛纳米带或如权利要求8所述的双层3r-mos2堆垛纳米带在电子器件、光电器件、传感器件、储能器件或催化制氢设备中的应用。