稀土元素掺杂的WS2纳米片、制备方法及应用

本发明属于纳米材料，具体涉及一种稀土元素掺杂的ws2纳米片的制备方法、ws2纳米片及应用。

背景技术：

1、单层ws2拥有比mos2更高的直接带隙发光效率、更高的载流子迁移率(室温下单层ws2迁移率达到214cm2 v-1s-1,nat.commun.,2021)，同时拥有原子级平整的界面，使得其与其他材料集成不受晶格匹配限制，在光电芯片异质集成上具有高的自由度，近几年关注度越来越高。然而，具有固定能级的本征ws2无法满足新型多功能光电子器件应用的需求，使得关于可调控ws2的发光器件的进一步研究遇到了很大瓶颈。

2、相比于过渡金属掺杂剂，稀土离子具有丰富的激发能级，独特的4f电子跃迁，使它们能够吸收和发射从紫外到红外区域的光子(chem.rev.,2013)。而且稀土离子具有高量子产率，窄带宽，长寿命发射，高光稳定性和大斯托克斯位移等发光特性(chem.rev.,2022)。因此，选取稀土离子作为ws2材料的掺杂剂，可能会赋予更加灵活的应用潜力并突破目前的研究瓶颈。例如，er掺杂的mos2纳米片被报道观察到来自er3+掺杂剂的能量跃迁的上转换发光，展示了单层半导体作为稀土离子载体的可行性(adv.mater.,2016)。

3、截止目前，国内外关于稀土掺杂ws2的研究还处于初期，主要集中在材料的合成和简单的物性研究(j.mater.chem.c,2022；sci.china mater.,2020；)。一方面，稀土离子引入ws2材料的生长可控性依旧不佳，在稀土掺杂ws2的合成过程中，晶体成核和各向异性生长过程的机理仍未得到深入研究。另一方面，其原子替代的表征还不明晰，光学特性还缺乏系统研究，而其电调控的发光器件还未见报道。

4、鉴于稀土掺杂ws2的研究领域存在巨大的机遇，对稀土掺杂ws2所面临的关键问题的解决和系统深入的研究是必要且及时的，将为解决稀土离子掺杂单层半导体的困难提供有效解决手段，并有效拓展和丰富单层ws2的发光特性。

5、现有稀土掺杂ws2的制备方法主要包括：水热法、磁控溅射沉积和化学气相沉积法等。水热法的主要缺点为：操作复杂，合成稀土掺杂ws2的晶体质量较差，且无法控制掺杂量，很难应用于半导体器件制备。磁控溅射沉积的主要缺点为：过程复杂，造价昂贵且制备的稀土掺杂的ws2样品无法获得取向高度一致、取向可控、纳米线尺寸可调、无法有效与硅基工艺兼容并实际应用。

6、公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种稀土元素掺杂的ws2纳米片的制备方法、ws2纳米片及应用，解决了稀土高熔点，难挥发的难题，通过一种简单的化学气相沉积法的方法，成功制备了尺寸可控的，掺杂量可控的含稀土ws2纳米片，将为解决稀土离子掺杂半导体的困难提供有效解决手段，并有效拓展和丰富ws2的发光特性。

2、为了实现上述目的，本发明一具体实施例提供了一种稀土元素掺杂的ws2纳米片的制备方法，包括：

3、选取水溶性强的含钨粉末作为钨源，以水溶性稀土化合物作为掺杂剂，利用卤盐作为形核促进剂，按照比例混合形成前驱体溶液；

4、将衬底进行亲水处理；

5、在无尘环境下，将前驱体溶液旋涂在衬底表面，形成前驱体膜；

6、将足量硫粉置于双温区管式炉的一温区，将具有前驱体膜的衬底置于二温区，抽真空，反复向管式炉通载气以除去其内氧气；

7、通气调节载气流量，一温区加热到120℃-240℃，二温区同时加热到820℃-920℃，保持5min-20min；

8、将一温区和二温区温度降至室温，得到稀土元素掺杂的ws2纳米片。

9、在本发明的一个或多个实施例中，所述水溶性稀土化合物包括ercl3、er2o3、ybcl3、yb2o3、tmcl3、tm2o3中的一种或多种。

10、在本发明的一个或多个实施例中，所述水溶性强的含钨粉末包括钨酸钠、钨酸。

11、在本发明的一个或多个实施例中，所述卤盐包括nacl、kcl。

12、在本发明的一个或多个实施例中，所述衬底包括硅衬底、二氧化硅衬底、蓝宝石衬底。

13、在本发明的一个或多个实施例中，所述载气包括氮气、氢气、氩气或氢气和氩气的混合气体。

14、在本发明的一个或多个实施例中，抽真空，反复向管式炉通载气以除去其内氧气，包括：打开真空泵抽真空至1pa以下，并反复通入100sccm-500sccm氩气进行洗气以除尽管式炉内的氧气。

15、在本发明的一个或多个实施例中，通气调节载气流量，包括：持续混合通入50sccm-100sccm氩气和5sccm-10sccm氢气作为输运和保护气体。

16、在本发明的一个或多个实施例中，升温速率为10℃-50℃/min。

17、本发明一具体实施例还提供了一种采用上述的稀土元素掺杂的ws2纳米片的制备方法所制得的稀土元素掺杂的ws2纳米片。

18、本发明一具体实施例还提供了一种发光器件的制作方法，包括：

19、通过pc薄膜粘附多层氮化硼，利用氮化硼和ws2纳米片之间的范德华力将上述的稀土元素掺杂的ws2纳米片转移至石墨烯电极表面，形成具有氮化硼/稀土元素掺杂的ws2纳米片/石墨烯/氮化硼结构的发光器件。

20、本发明一具体实施例还提供了一种采用上述的发光器件的制作方法所制作的发光器件。

21、与现有技术相比，本发明的稀土元素掺杂的ws2纳米片的制备方法、ws2纳米片及应用，利用液相前驱体和掺杂剂，采用化学气相沉积的方法解决二维稀土难掺杂ws2的难题，使原料具备分子级均匀性，实现多种稀土元素对单层ws2材料的掺杂，该方法操作简单、原料安全、设备简易。

22、本发明的稀土元素掺杂的ws2纳米片的制备方法、ws2纳米片及应用，利用稀土掺杂ws2和si/sio2弱的范德华力作用，通过简单的湿法转移可实现稀土掺杂ws2纳米片在不同基底(包括硅/二氧化硅、蓝宝石等)之间的转移，有利于与微纳加工工艺的兼容，便于大规模器件的研发和应用。

23、本发明的稀土元素掺杂的ws2纳米片的制备方法、ws2纳米片及应用，通过选取易溶于水的稀土化合物作为稀土掺杂的前驱体源，解决了稀土高熔点，难挥发的难题，通过一种简单的化学气相沉积法的方法，成功制备了尺寸可控的，掺杂量可控的含稀土ws2纳米片，将为解决稀土离子掺杂半导体的困难提供有效解决手段，并有效拓展和丰富ws2的发光特性。

24、本发明的稀土元素掺杂的ws2纳米片的制备方法、ws2纳米片及应用，通过化学气相沉积的方法，操作简单、原料安全、设备简易、成本较低，制备得到的稀土掺杂ws2纳米片具有产量高、纯度高、质量好、表面均匀、厚度可控均一等优点；并且可以通过简单的湿法转移于硅/二氧化硅衬底之上，有利于与传统半导体工艺的兼容，便于大规模器件的研发和应用。