本發明涉及過渡金屬硫族化合物制備技術領域，尤其涉及一種氧摻雜單層過渡金屬硫族化合物及其制備方法和應用。
背景技術：
過渡金屬硫族化合物具有較高的電子遷移率及適宜的禁帶寬度，當其為單層時能帶為直接帶隙，具有極高的發光效率。然而，單層高質量過渡金屬硫族化合物的合成仍具有困難，如本征缺陷導致的發光效率遠低于理論值，大規模合成的通用策略也具有一定挑戰。
技術實現要素：
有鑒于此，本發明要解決的技術問題在于提供一種氧摻雜單層過渡金屬硫族化合物及其制備方法和應用，通過簡單的方法即可制備出光學性質優越，應用前景廣泛的氧摻雜單層二硫化鎢單晶。
本發明提供了一種氧摻雜單層過渡金屬硫族化合物的制備方法，包括以下步驟：
a)將鐵氧化物、金屬前驅體鎢氧化物和氯化鈉混合均勻，得到反應前驅體；
b)將步驟a)得到的反應前驅體在高溫下與硫粉進行反應，得到氧摻雜單層過渡金屬硫族化合物。
優選的，所述鐵氧化物為三氧化二鐵、四氧化三鐵和氧化亞鐵中的一種或多種。
優選的，所述金屬前驅體鎢氧化物為三氧化鎢。
本發明對所述鐵氧化物、金屬前驅體鎢氧化物、氯化鈉和硫粉的來源并無特殊限定，可以為一般市售，優選為化學純度。
優選的，所述鐵氧化物、金屬前驅體鎢氧化物和氯化鈉的質量比為1:(6～8):(2～3)，進一步優選為1:7:3。
在一個優選的實驗方案中，所述鐵氧化物的用量為10mg，金屬前驅體鎢氧化物的用量為70mg，氯化鈉的用量為30mg，硫粉為40mg。
本發明優選的，所述反應的溫度為825～855℃，進一步優選為850℃，反應的時間優選為3～7min，進一步優選為5min。
本發明優選的，所述反應在石英管中進行，所述石英管的內徑優選為50mm。
本發明優選的，所述制備方法具體包括以下步驟：
a)將鐵氧化物、金屬前驅體鎢氧化物和氯化鈉混合均勻，研磨得到均勻粉末，作為反應前驅體；
b)將硫粉和步驟a)得到的反應前驅體分別置于石英舟中，放置在雙溫區管式爐中，硫粉位于氣流上游，反應前驅體位于氣流下游，二氧化硅基底硅片光面朝下覆蓋在放置前驅體的石英舟上；
c)將氬氣與氫氣的混合氣體通入管內，排凈管內空氣后，升溫，使硫粉及反應前驅體位置溫度分別到達180～220℃和825～855℃，反應結束后停止加熱，繼續在通氣狀態下使產物隨爐降溫至室溫，得到氧摻雜單層過渡金屬硫族化合物。
進一步優選的，使硫粉及反應前驅體位置溫度分別到達200℃和850℃。
本發明所制備得到的氧摻雜單層過渡金屬硫族化合物具體為氧摻雜的單層二硫化鎢單晶，所得單晶沉積在二氧化硅基底表面。
所述氬氣與氫氣的混合氣體的流量優選為40～80sccm，進一步優選為60sccm，所述氬氣和氫氣的體積比優選為(4～6)：1，進一步優選為5：1。
本發明優選的，所述升溫的時間優選為27～35min，進一步優選為30min。
本發明對上述升溫的速度并無特殊限定，可以根據本領域技術人員的經驗自行確定，本發明優選為25～30℃/min。
本發明優選的，所述步驟c)中反應的時間優選為5min。
本發明優選的，所述二氧化硅基底在使用前進行清洗處理。
優選的，所述清洗處理包括：
將二氧化硅基底依次采用丙酮、異丙醇、去離子水進行超聲清洗，然后用氮氣槍吹干備用。
在一個優選的實驗方案中，所述丙酮，異丙醇均為化學純度，氮氣純度為99.5％。
在一個優選的實驗方案中，所述二氧化硅基底為1cm×1cm大小、300nm厚的p摻雜二氧化硅基底。
本發明還提供了一種上述制備方法制備得到的氧摻雜單層過渡金屬硫族化合物，其為氧摻雜的單層二硫化鎢單晶。
本發明提供了上述制備方法制備的氧摻雜單層過渡金屬硫族化合物或上述氧摻雜單層過渡金屬硫族化合物用于光電探測器、光電傳感器的應用。
與現有技術相比，本發明提供了一種氧摻雜單層過渡金屬硫族化合物的制備方法，包括以下步驟：a)將鐵氧化物、金屬前驅體鎢氧化物和氯化鈉混合均勻，得到反應前驅體；b)將步驟a)得到的反應前驅體在高溫下與硫粉進行反應，得到氧摻雜單層過渡金屬硫族化合物。本發明利用鐵氧化物輔助化學氣相沉積法，獲得了高質量單層的氧摻雜二硫化鎢單晶，在光電探測器、光電傳感器等方面有著巨大的應用前景。相對于現有的過渡金屬硫族化合物摻雜方法而言，此方法實現了原位摻雜氧元素，且工藝簡單，易于規?；a。
附圖說明
圖1為實施例1制備的氧摻雜單層二硫化鎢單晶的光學顯微鏡照片；
圖2為實施例1制備的氧摻雜單層二硫化鎢單晶的拉曼光譜圖；
圖3為實施例1制備的氧摻雜單層二硫化鎢單晶的原子力顯微鏡照片；
圖4為實施例1制備的氧摻雜單層二硫化鎢單晶的熒光發光光譜圖。
具體實施方式
為了進一步說明本發明，下面結合實施例對本發明提供的氧摻雜單層過渡金屬硫族化合物及其制備方法和應用進行詳細描述。
實施例1
a)將300nm厚p型二氧化硅基底按照丙酮，異丙醇，去離子水的順序分別浸泡超聲15min，再用氬氣槍吹干備用；
b)將70mg三氧化鎢，10mg三氧化二鐵及30mg氯化鈉混合，持續研磨得到均勻粉末作為反應前驅體；
c)將硫粉及上述反應前驅體分別置于剛玉舟中放置在雙溫區管式爐中，硫粉位于氣流上游，反應前驅體位于氣流下游，硅片光面朝下覆蓋在放置前驅體的石英舟上；
d)將60sccm的氬氣與氫氣的混合氣(比例5：1)通入管內，經過30min使硫粉及前驅體粉末位置分別到達200℃和850℃，反應5min后停止加熱，繼續在通氣狀態下使產物隨爐降溫至室溫；
e)將步驟d中得到產物取出。即得到氧摻雜單層二硫化鎢單晶。
采用光學顯微鏡對制備的氧摻雜單層二硫化鎢單晶進行表征，結果見圖1，圖1是實施例1制備的氧摻雜單層二硫化鎢單晶的光學顯微鏡照片，由圖1可以看出，材料襯度均一，說明材料生長均勻，無明顯的缺陷，三角形及清晰的邊界說明材料結晶性高。
圖2是制備的氧摻雜單層二硫化鎢單晶的拉曼光譜圖，特征峰的位置確認了該材料是二硫化鎢，并且說明了氧摻雜并未對晶體結構產生破壞。
圖3是制備的氧摻雜單層二硫化鎢單晶的原子力顯微鏡照片，其中，內嵌的曲線顯示材料厚度約為0.8nm，證明了材料為單層。
圖4是制備的氧摻雜單層二硫化鎢單晶的熒光發光光譜圖，其中，峰的高對稱性及較窄的半高寬說明熒光發光中中性激子占絕大多數，相對于未摻雜氧的樣品，峰高提高了約90倍，說明氧摻雜有效提高了材料的熒光發光效率。
實施例2
步驟b)中三氧化二鐵質量為5mg，其余同實施例1，制備得到氧摻雜單層二硫化鎢單晶。
實施例3
步驟b)中三氧化二鐵質量為15mg，其余同實施例1，制備得到氧摻雜單層二硫化鎢單晶。
實施例4
步驟b)中的鐵氧化物為氧化亞鐵，質量為10mg，其余同實施例1，制備得到氧摻雜單層二硫化鎢單晶。
實施例5
步驟b)中的鐵氧化物為四氧化三鐵，質量為10mg，其余同實施例1，制備得到氧摻雜單層二硫化鎢單晶。
實施例6
步驟d)中前驅體位置溫度為825℃，其余同實施例1，制備得到氧摻雜單層二硫化鎢單晶。
實施例7
步驟d)中混合氣流量為80sccm，其余同實施例1，制備得到氧摻雜單層二硫化鎢單晶。
以上實施例可以看出，本發明通過簡單的方法，制備得到了氧摻雜單層二硫化鎢單晶。
以上實施例的說明只是用于幫助理解本發明的方法及其核心思想。應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以對本發明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發明權利要求的保護范圍內。