一种高浓度稀土掺杂二维材料WSe2制备方法及光学设备

本发明属于光学材料，具体涉及一种高浓度稀土掺杂二维材料wse2制备方法及光学设备。

背景技术：

1、在过去的几年中，通过调制和功能化原始二维过渡金属硫族化物(2d-tmds)，例如掺杂外来原子，在提高器件性能方面取得了相当大的进展。与控制不良且不稳定的间隙掺杂相比，原位取代掺杂可以形成稳定的结合键，因此被认为是更有前途的掺杂工程。

2、目前，一些外来过渡金属元素被加入到tmds晶体中，以调节tmds的光电学和磁性能。在常见的二维材料掺杂技术中，多数为材料生长之后进行掺杂，如离子辐照等。这些方法通常会破坏材料结构，对材料本身性质造成影响。因此还无法对薄层二维材料进行掺杂，目前对于薄层二维材料的掺杂方案是比较少。

3、二维材料掺杂元素选择上，多数掺杂选择金属原子，如：钒、铌等，或为气体元素：氨、氧等掺杂。一般掺杂为了改变材料导电类型或者提高光响应，而在金属元素中稀土元素掺杂能同时满足，其丰富的电子能级能为更高效率的光电转换。稀土元素本身为发光材料，其不仅能为二维材料提供更高的光致发光效率，还可以拓宽吸收光谱，进行红外波段光的吸收转换。目前采用稀土元素对二维tmds进行掺杂有待研究。

4、目前二维材料掺杂方案技术的相关研究中，其掺杂浓度一般为低浓度掺杂，小于5％，难以做到高浓度掺杂也即超过5％；虽然中国专利cn11378957a公开了一种在二维材料cvd生长中掺入稀土材料的方法，其掺杂浓度能够达到11％，但是其掺杂浓度仍有待提升。另外，在二维材料应用领域中，光电器件是一个非常重要的应用。在光电半导体二维材料中，材料本身的载流子浓度能较难改变，只有通过高浓度掺杂或者引入具有丰富电子能级的物质才能改变其导电性质、能带结构等，进而提高光电器件的光电性能。本发明

技术实现思路

1、基于现有技术存在的问题，本发明提出了一种高浓度稀土掺杂二维材料wse2制备方法及光学设备，能够提升掺杂浓度。

2、在本发明的第一方面，本发明提供了一种高浓度稀土掺杂二维材料wse2制备方法，包括以下步骤：

3、在第一刚玉舟内放置第一反应物；所述第一反应物包括硒；

4、在第二刚玉舟内放置第二反应物，并将衬底悬挂于第二刚玉舟上；所述第二反应物包括三氧化钨、氯化钠以及三氯化铒的混合物；所述衬底包括氧化层和硅层，所述氧化层与所述第二反应物正对；

5、在双温区管式炉的第一温区放置第一刚玉舟，在双温区管式炉的第二温区放置第二刚玉舟；

6、关闭双温区管式炉的进气阀与出气阀，打开真空泵将石英管内杂气抽出至真空状态，打开进气阀通入氩气至石英管内恢复常压，重复多次操作，去除管内的杂质气体；

7、打开双温区管式炉的进气阀与出气阀通入氩气；对双温区管式炉的两个温区升温，在第二温区温度到达150℃时，关闭进气阀与出气阀，重复多次操作，去除管内的杂质气体；

8、打开双温区管式炉的进气阀与出气阀通入氩气；对双温区管式炉的两个温区升温，在第一温区温度到达350～420℃，第二温区温度到达930～970℃时，保持流量不变通入氩氢混合气；

9、对双温区管式炉的两个温区保持生长温度，进行二维材料wse2的生长制备；本过程在反应物硒粉与氧化钨达到气化温度时，引入氢气作为反应还原剂，实现wse2的反应合成。

10、自然冷却降温至600℃时，通入氩气，直至冷却至室温。

11、优选的，所述硒、所述三氧化钨、所述氯化钠以及所述三氯化铒的质量比为30:[14,16]:[0.5,1.5]:[2.5.3.75]。

12、优选的，所述衬底的氧化层的厚度为280～310nm，所述衬底的硅层为450～550μm。

13、优选的，在将衬底悬挂于第二刚玉舟之前还包括对所述衬底进行清洗，先使用去离子水进行第一次超声清洗，随后换为丙酮进行第二次超声清洗，再使用酒精进行第三次超声清洗，最后使用去离子水进行第四次超声清洗，更换去离子水对洗净硅片衬底进行保存；使用氮气吹干表面水分。

14、在本发明的第二方面，本发明还提供了一种高浓度稀土掺杂二维材料，其按照如本发明第一方面所述的方法制得。

15、在本发明的第三方面，本发明还提供了一种光学设备，其采用了如本发明第二方面所述的高浓度稀土掺杂二维材料；在所述高浓度稀土掺杂二维材料上制备两层金属电极，得到光学设备。

16、优选的，所述两层金属电极分别为铬电极和金电极，所述铬电极和金电极的厚度分别为5nm与50nm。

17、优选的，在所述高浓度稀土掺杂二维材料上制备金属电极包括：

18、(1)旋涂匀胶：利用匀胶机在所述高浓度稀土掺杂二维材料上旋涂第一层lor光刻胶；

19、(2)初次软烤：将旋涂第一层lor光刻胶后的高浓度稀土掺杂二维材料烘烤；

20、(3)再次匀胶：利用匀胶机在所述高浓度稀土掺杂二维材料上旋涂第二层s1805光刻胶；

21、(4)再次软烤：将旋涂第二层s1805光刻胶的高浓度稀土掺杂二维材料烘烤；

22、(5)激光直写：利用设计的电极图案在样品选定区域激光直写；光刻胶为有机物在曝光后性质发生改变从而将电极图案转移到所述衬底上；

23、(6)显影定影：将高浓度稀土掺杂二维材料在az300显影液中显影，去除被曝光部分变质的光刻胶，再将样品用去离子水冲洗，去除残留的显影液；最后用氮气吹干；

24、(7)镀膜：利用溅射镀膜机进行磁控溅射；溅射金属电极为铬和金；

25、(8)剥离去胶：将渡电极后的高浓度稀土掺杂二维材料浸泡在丙酮中20-30min；将光刻胶溶解从而将电极以外的金与衬底分离；对金属电极进行剥离，直至电极被剥离成功；用az300显影液溶解剩余的lor光刻胶，然后用无水乙醇清洗样品；最后用去离子水柔和冲洗样品，并用氮气吹掉样品表面水分后烘干。

26、本发明的有益效果：

27、1)本掺杂方案基于材料生长过程进行掺杂，基于取代掺杂原理，不会对材料结构造成较大晶格破坏。且能对薄层甚至单层二维材料进行成功掺杂。方案实施简单有效。

28、2)本方案掺杂元素选择稀土元素铒，其原子系数与钨元素原子系数相近，能够成功进行取代掺杂与空位填补，且不会造成太大晶格破坏与畸变。在掺杂元素性质上，稀土元素本身具有较好的发光性质，对材料发光效率与吸收光谱上都有一定的提升。

29、3)本方案基于cvd法二维材料生长过程中添加稀土掺杂剂(ercl3)，制备样品通过x射线光电子能谱(xps)与能量色散x射线谱仪(eds)进行掺杂浓度分析。掺杂浓度分别为15.8％与13.7％，证明此掺杂方案可以实现高浓度掺杂二维材料的制备。

30、4)本方案制备的er掺杂wse2在光电探测应用上对于本征为掺杂的wse2，具有更高的光电性能。在相同生长条件、器件制备工艺下，er掺杂的wse2比未掺杂的wse2在相同功率激光照射下具有更大的光生电流。例如在1.11mw/cm2功率635nm波长激光照射下，er掺杂wse2的光电流为6.87na，未掺杂光电流为2.15na，增大了3.2倍。本掺杂方案能够有效的提高二维材料的光电响应性能。