一种高功函数层状CoS2单晶纳米片及其制备方法和应用

一种高功函数层状cos2单晶纳米片及其制备方法和应用
技术领域
1.本发明属于无机材料技术领域，具体涉及一种高功函数层状cos2单晶纳米片及其制备方法和应用。


背景技术：

2.二维过渡金属硫属化合物(tmd)由于其独特的电子和光学特性，在光电、自旋电子和谷电子器件领域得到了广泛的研究。使用二维半导体作为通道材料的场效应晶体管(fet)在载流子被限制在原子级的通道中表现出优异的栅静电性，同时也是电子和光电器件的基本构建模块。然而，当其兼具小型化和高性能的同时，无序界面态的费米能级钉扎效应和金属电极的金属诱导间隙态所产生的巨大肖特基空穴势垒，严重阻碍了器件的应用和发展。
3.为了解决这些困难，一个关键的挑战是制造具有最小接触电阻和依赖能级的金属-半导体接触。近年来的研究表明，由转移高功函数vdw半金属在少量层状过渡金属二卤代化合物上形成的范德华接触可以提高晶体管性能。然而，热力学研究表明，常用作接触电极的1t半金属大多为亚稳相，且功函数大都不超过5ev。如何制备性能稳定、并与半导体接触良好的新型高功函数vdw半金属成为亟待解决的技术难题。


技术实现要素：

4.传统的范德华半金属(例如1t
′‑
ws2和1t
′‑
mote2)有着功函数较低(低于5ev)与稳定性差的问题。针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种高功函数层状cos2单晶纳米片及其制备方法，该cos2纳米片是一种高质量、结构稳定的单晶，具有良好的导电性和5.35ev的高功函数，能完美匹配p型半导体的价带最大值，可以获得理想的欧姆接触。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
6.本发明的第一个目的是提供一种高功函数层状cos2单晶纳米片的制备方法，包括以下步骤：
7.将硫源放置在耐热容器的第一温度区域；将co源放置在耐热容器的第二温度区域，并在co源的上方堆叠两个云母片，两个云母片之间的区域为材料的生长空间，本发明通过给材料一个限定的生长空间，从而可以通过降低前驱体的浓度和扩散速度来促进动力学生长，从而限制了生长和反应速率，更加有利于超薄二维纳米片的形成；
8.沿着第一温度区域至第二温度区域的方向向耐热容器中通入保护性气体；加热第一温度区域使其温度为160-200℃，加热第二温度区域使其温度为700-760℃，随着反应的进行即可在云母片上得到层状cos2单晶纳米片。
9.制备过程中，对于第一温度区域的温度控制是使其温度大于硫源的沸点，硫的沸点为112.8℃，经过长期实验探索第一温度区域的温度优选为160-200℃，最优为180℃。反应中可通过控制第二温度区域的温度来调节产物的形貌，具体为：当第二温度区域的温度为700-720℃时，得到的是三角形纳米片；当温度为720-760℃时，得到的是六边形纳米片。
这是因为高温倾向于热力学产物，有利于二维材料的垂直生长，产生更厚的六角形畴，表面和边缘能量更低。而低温则更倾向于动力学产物，有利于二维材料的横向生长，原子迅速附着在二维晶体边缘生长最快的前沿，形成更薄的三角形纳米片。
10.作为优选的技术方案，所述硫源为s粉，所述co源为无水cocl2。所述耐热容器为石英管式炉。本方案的全部反应过程都是在管式炉中一步合成，且是在无水、无氧的惰性环境下进行。无水cocl2中不含结晶水，对于目标产物的结构形成具有直接影响。如选用其他带有结晶水的原料，则由于反应体系中含有水分，会导致无法得到cos2纳米片。
11.所述云母片为氟金云母片，该云母片表面无悬键，适合表面能较大材料的二维生长。
12.所述硫源和co源之间的间距为10-30cm。
13.本发明的第二个目的是提供一种高功函数层状cos2单晶纳米片，所述高功函数层状cos2单晶纳米片是根据如第一个目的中所述的制备方法制备所得。本发明制备的cos2单晶纳米片的边长可达到20μm，厚度可达到5.1nm，属于大尺寸二维材料，能应用于微纳电子器件领域。
14.本发明的第三个目的是提供如第二个目的所述的高功函数层状cos2单晶纳米片作为接触电极在场效应晶体管中的用途。
15.本发明具有如下有益效果：
16.本发明在反应过程中通过限定材料的生长空间，合成了层状cos2单晶纳米片，该层状cos2纳米片层间是由范德华力结合，不含任何化学键，产物晶体结构为1t相。本发明可以通过控制第二温度区域中的温度来控制合成不同形貌、尺寸的cos2纳米片。具有cos2触点的单分子wse
2 fet在室温下的空穴迁移率远远高于原始单层wse
2 fet与以传统的范德华半金属为接触电极的fet，大大提升晶体管性能。本发明提供的制备方法操作简单，制备过程快速，重复性高，有效解决了目前二维p型场效应晶体管肖特基空穴势垒、迁移率低和性能不稳定的难题。
附图说明
17.图1为本发明合成cos2的装置结构示意图；图中a为硫源所在位置，b为co源所在位置，c为云母片所在位置，d为石英管式炉，x为硫源与co源之间的距离。
18.图2为实施例1中x分别为不同数值时制备的产物的光学图像；
19.图3为cos2纳米片的高分辨透射电镜检测图；
20.图4为实施例2中x分别为不同数值时制备的产物的光学图像；
21.图5为以cos2作为接触电极的场效应晶体管的输出曲线和传输曲线；
22.图6为没有使用cos2作为接触电极的场效应晶体管的输出曲线和传输曲线。
具体实施方式
23.下面结合附图与实施例对本发明做进一步详细阐述，以下所述的实施例仅仅用于阐述本发明，而不对其起限制作用。以下实施例中的制备过程中如无特别说明的，均为本领域现有技术中的常规手段，因此，不再详细赘述；所使用的原料均为市售商品，市购可得。
24.实施例1
25.一种高功函数层状cos2单晶纳米片的制备方法，所采用的装置结构示意图如图1所示，包括以下步骤：
26.将s粉(120mg)放置在2英寸石英管式炉中第一温度区域的中间作为硫源，无水cocl2(12mg)放置在第二温度区域的中心作为co源；将两块氟金云母片堆叠在co源上方，石英管用超高纯度氩气清洗，以提供无氧、无水环境。
27.沿着第一温度区域至第二温度区域的方向向石英管内通入氩气，将上述管式炉中以s源处180℃、co源处720℃、氩气流速100sccm的条件进行反应10min，在氟金云母片上得到三角形cos2单晶纳米片。
28.上述反应中，控制硫源和co源之间的距离x分别为15cm、17cm、19cm、21cm、23cm，可以得到不同尺寸的三角形cos2单晶纳米片，所得的产物的光学图像如图2所示。从图2可看出，硫源和co源之间的距离x取不同数值时，可制备得到不同横向尺寸的产物。当x为19cm时，所得产物的尺寸最大，对该cos2纳米片进行高分辨透射电镜检测，结果如图3所示，根据透射电镜所测得晶格条纹与其晶体结构模型进行对比，可知所得产物的晶体结构为1t相；通过紫外光电子能谱测量可知该材料的功函数为5.35ev。
29.实施例2
30.与实施例1不同的是，实施例2中co源处温度控制为760℃，其它条件均与实施例1相同。制备得到的是六角形cos2单晶纳米片，所得的产物的光学图像如图4所示。
31.从图4可看出，硫源和co源之间的距离并不影响所得产物的形貌，仅仅影响其横向尺寸大小。
32.应用例
33.以实施例1中x为19cm时制备的层状cos2单晶纳米片作为接触电极制成场效应晶体管，即cos2接触的wse
2 fet器件，并对其分别进行输出曲线和传输曲线的测试，测试结果如图5所示。
34.图5中a图为该fet器件的输出曲线，图5中b图为该fet器件的传输曲线，输出曲线是在固定栅极电压不变的情况下，源漏电流随源漏电压改变的变化量。传输曲线是固定源漏电压不变，源漏电流随栅极电压改变的变化量。从两个曲线中都能看出该fet器件的输出和传输特性都表现出典型的p型晶体管行为。输出特性是线性和对称的，这表明在cos2和单层wse2之间存在较小的肖特基势阻隔。在vds＝10v,vg＝-60v时，cos2接触的wse
2 fet器件的电流ids高达18.1μaμm-1
。在传输曲线中，该器件的开路电流为2.3μaμm-1
，开关比为3.1
×
106，亚阈值摆幅为87mv/dec，载流子浓度为114.5cm
2 v-1
s-1
，表明了该器件拥有十分优异的性能。
35.以没有使用cos2作为接触电极的场效应晶体管作为对比，测试其输出曲线和传输曲线。测试结果如图6所示。与图5进行对比，可看出使用本发明合成的cos2作为接触电极的场效应晶体管性能得到了很大的提升。
36.显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

技术特征：
1.一种高功函数层状cos2单晶纳米片的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：将硫源放置在耐热容器的第一温度区域；将co源放置在耐热容器的第二温度区域，并在co源的上方堆叠两个云母片；沿着第一温度区域至第二温度区域的方向向耐热容器中通入保护性气体；加热第一温度区域使其温度为160-200℃，加热第二温度区域使其温度为700-760℃，随着反应的进行即可在云母片上得到层状cos2单晶纳米片。2.根据权利要求1所述的高功函数层状cos2单晶纳米片的制备方法，其特征在于：所述硫源为s粉，所述co源为无水cocl2。3.根据权利要求1所述的高功函数层状cos2单晶纳米片的制备方法，其特征在于：所述耐热容器为石英管式炉。4.根据权利要求1所述的高功函数层状cos2单晶纳米片的制备方法，其特征在于：所述云母片为氟金云母片。5.根据权利要求1所述的高功函数层状cos2单晶纳米片的制备方法，其特征在于：所述硫源和co源之间的间距为10-30cm。6.一种高功函数层状cos2单晶纳米片，其特征在于：所述高功函数层状cos2单晶纳米片是根据如权利要求1至5中任一项所述的制备方法制备所得。7.如权利要求6所述的高功函数层状cos2单晶纳米片作为接触电极在场效应晶体管中的用途。

技术总结
本发明公开了一种高功函数层状CoS2单晶纳米片及其制备方法和应用，该纳米片的制备方法包括以下步骤：将硫源放置在耐热容器的第一温度区域；将Co源放置在耐热容器的第二温度区域，并在Co源的上方堆叠两个云母片；沿着第一温度区域至第二温度区域的方向向耐热容器中通入保护性气体；加热第一温度区域使其温度为160-200℃，加热第二温度区域使其温度为700-760℃，随着反应的进行即可在云母片上得到层状CoS2单晶纳米片。本发明还公开了CoS2单晶纳米片作为接触电极在场效应晶体管中的用途。本发明提供的制备方法简单、重复性高，有效解决了目前二维p型场效应晶体管肖特基空穴势垒、迁移率低和性能不稳定的难题。迁移率低和性能不稳定的难题。迁移率低和性能不稳定的难题。


技术研发人员：闫文盛 王垚 段恒利
受保护的技术使用者：中国科学技术大学
技术研发日：2023.03.01
技术公布日：2023/7/19