本發(fā)明屬于光電半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種二維MoS₂-PbS納米顆粒復(fù)合材料的制備方法。

背景技術(shù)：

半導(dǎo)體納米材料具有高度的光敏性，且其帶隙值可調(diào)，可探測從紫外-可見到紅外部分的光，是光電器件的重要材料。但納米顆粒材料的載流子遷移率很低，在10 ^?3 –10 ^?1cm ² V ^?1 s ^?1之間，使得其光電導(dǎo)增益局限在10-10³。而單原子層厚度的二維材料，比如石墨烯和過渡金屬硫族化合物（TMDCs），在平面內(nèi)具有很高的載流子遷移率，而且單原子層的結(jié)構(gòu)能使暗電流降低。因此將納米顆粒和二維材料結(jié)合是得到高光敏性和高載流子遷移率光電材料的一個(gè)有效途徑。

PbS為p型半導(dǎo)體，由于它的帶隙較窄（0.41eV），紅外吸收能力較優(yōu)，而且玻爾半徑較大（18nm），可以較容易的制備出具有量子效應(yīng)的PbS納米顆粒，是目前應(yīng)用最廣的紅外光電材料。MoS₂為n型半導(dǎo)體，屬于六方晶系且具有二維層狀結(jié)構(gòu)。隨著層數(shù)減小，其帶隙值增大，當(dāng)層數(shù)為單層時(shí)，帶隙值大約為1.8eV，從間接帶隙變?yōu)橹苯訋叮芪兆贤夂涂梢姽?，其載流子遷移率達(dá)到200 cm²V^-1S^-1左右。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，單層MoS₂的價(jià)帶和導(dǎo)帶位置分別在-6.0 eV和-4.25eV附近，與納米PbS的價(jià)帶和導(dǎo)帶位置相配，因而兩者可以形成pn結(jié)。PbS上產(chǎn)生的光生電子能在pn結(jié)上有效分離，并傳輸?shù)竭w移率高的單層MoS₂上。其復(fù)合結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的光電性能，在光電探測器、光電化學(xué)催化等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。

本發(fā)明以液相剝離制備的MoS₂納米片為載體，采用水熱法在MoS₂納米片上生長PbS納米顆粒，從而得到二維MoS₂-PbS納米顆粒的復(fù)合材料。這一方法可以方便的通過改變反應(yīng)液的濃度來控制納米片上PbS顆粒的附著含量，從而得到光電性能不同的異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，擴(kuò)寬該材料的應(yīng)用范圍。

本發(fā)明針對PbS納米材料在近紅外區(qū)光敏性好，但載流子遷移率低的問題，提出制備二維MoS₂-PbS納米顆粒的復(fù)合材料。二維MoS₂除了能夠拓寬材料的吸光范圍，與PbS形成能有效分離電子和空穴的pn結(jié)外，還為電子提供了快速傳輸?shù)耐ǖ?。發(fā)明采用MoS₂納米片作為載體，通過水熱法在其上制備PbS納米顆粒，這一制備MoS₂-PbS納米復(fù)合材料的方法還未見報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種二維MoS₂-PbS納米顆粒復(fù)合材料的制備方法。

本發(fā)明的思路：以分散在PbS前驅(qū)反應(yīng)液中的MoS₂納米片為載體，在水熱條件下，PbS在MoS₂納米片上析出并生長，從而得到二維MoS₂-PbS納米顆粒復(fù)合材料。

具體步驟為：

(1)將塊體MoS₂粉末分散到N-N二甲基甲酰胺（DMF）中，經(jīng)過超聲剝離，將所得分散液靜置后，取出占分散液總體積1/3的上部液體，對取出的液體進(jìn)行水浴強(qiáng)力攪拌，然后再離心，將所得的沉積物分散到DMF中，制得MoS₂納米片溶膠。

(2)將摩爾比為1:1的Pb(NO₃)₂和CH₄N₂S同時(shí)溶于DMF中，制得的溶液濃度為0.01~0.0375mol/L，超聲分散15分鐘后，制得PbS前驅(qū)液。

(3)將步驟(1)制得的MoS₂納米片溶膠和步驟(2)制得的PbS前驅(qū)液混合，放入水熱釜，在120℃的溫度條件下反應(yīng)20~40分鐘，反應(yīng)結(jié)束后，再冷卻，離心，所得沉淀物經(jīng)洗滌和干燥后，即制得二維MoS₂-PbS納米顆粒復(fù)合材料。

本發(fā)明方法操作簡單，能夠通過改變前驅(qū)液的濃度控制PbS顆粒在MoS₂納米片上的附著含量，從而調(diào)節(jié)復(fù)合材料的光電性能，所制備的二維MoS₂-PbS納米顆粒復(fù)合材料能夠用于光電領(lǐng)域。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例1所制備的MoS₂納米片和二維MoS₂-PbS納米顆粒復(fù)合材料的XRD圖。與MoS₂納米片樣品比較，復(fù)合材料的XRD圖譜出現(xiàn)了新的衍射峰，這些新的衍射峰與PbS的衍射峰數(shù)據(jù)相符。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例1制得的二維MoS₂-PbS納米顆粒復(fù)合材料的TEM圖，（a）低倍圖，（b）高倍圖。從圖中可看到很薄的半透明片狀MoS₂上生長有類球形的PbS納米顆粒。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例1、2和3制得的MoS₂納米片和PbS附著量不同的二維MoS₂-PbS納米顆粒復(fù)合材料的光響應(yīng)曲線圖。MoS₂納米片樣品和二維MoS₂-PbS納米顆粒復(fù)合材料樣品都顯示了光響應(yīng)性，負(fù)載有PbS納米顆粒的樣品其響應(yīng)電流高于MoS₂樣品，且響應(yīng)電流隨PbS負(fù)載量的增大先增大后減小。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1：

(1)將0.1g塊體MoS₂粉末放入200mlDMF中，以200W的超聲功率超聲剝離8h，將所得分散液靜止放置0.5h后抽取占分散液總體積1/3的上部液體于另一錐形瓶中，70℃水浴強(qiáng)力磁力攪拌6h，然后再離心，將所得的沉積物再次分散到8ml DMF中，制得MoS₂納米片溶膠。

(2)將0.01mmol Pb（NO₃）₂和0.01mmolCH₄N₂S溶于2ml DMF中，超聲分散15分鐘后，制得PbS前驅(qū)液。

(3)將步驟(1)制得的MoS₂納米片溶膠和步驟(2)制得的PbS前驅(qū)液混合，放入水熱釜，在120℃下保溫反應(yīng)0.5小時(shí)，反應(yīng)液中S^2-緩慢釋放，PbS顆粒在MoS₂納米片上生成，反應(yīng)結(jié)束后，再冷卻，離心，所得沉積物洗滌后離心干燥，即制得二維MoS₂-PbS納米顆粒復(fù)合材料，記為MP1。

附圖1為本實(shí)施例制得的MoS₂納米片和經(jīng)過水熱反應(yīng)后制得的MP1樣品的XRD圖譜。測試結(jié)果表明，MoS₂納米片樣品在14.38，29.03，32.66，39.54，44.13，49.80，60.12，62.96和68.42角度出現(xiàn)衍射峰，分別對應(yīng)于六方晶型MoS₂的（0 0 2），（0 0 4），（1 0 0），（1 0 3），（0 0 6），（1 0 5），（0 0 8），（1 0 7）和（2 0 0）晶面。經(jīng)過水熱反應(yīng)后，在25.57，29.69，43.74，51.01，53.82.，62.70和 68.92角度出現(xiàn)了新的衍射峰，對應(yīng)于立方PbS的（1 1 1），（2 0 0），（2 2 0），（3 1 1），（2 2 2），（4 0 0）和（3 1 1）晶面，說明PbS成功負(fù)載在MoS₂上。附圖2為本實(shí)施例制得的二維MoS₂-PbS納米顆粒復(fù)合材料的TEM圖，從圖中能夠看到，納米片很薄，在電鏡圖片中呈半透明狀，顆粒的粒徑在16nm左右。根據(jù)高倍TEM圖，納米片上晶面間距為0.261nm，與六方晶MoS₂的（101）晶面相符，生長在納米片上的納米顆粒的晶面間距為0.340nm，與立方晶PbS的晶面（111）的晶面間距數(shù)據(jù)相符。附圖3的光電測試結(jié)果表明，MoS₂納米片樣品和MP1樣品都顯示了光響應(yīng)性，在100mWcm^-2光強(qiáng)下，電壓0.5V時(shí)，MP1樣品的響應(yīng)電流為32.7μA cm^-2，高于MoS₂樣品在同樣條件下15.3μA cm^-2的響應(yīng)電流值。

實(shí)施例2：將實(shí)施例1步驟(2)中Pb（NO₃）₂和CH₄N₂S的量都改為0.02mmol，其余均同實(shí)施例1，制得的二維MoS₂-PbS納米顆粒復(fù)合材料記為MP2。

實(shí)施例2得到的樣品MP2的晶型結(jié)構(gòu)和形貌結(jié)構(gòu)與MP1類似。在100mW cm^-2光強(qiáng)下，電壓0.5V時(shí)，MP2樣品的響應(yīng)電流為37.4μA cm^-2，高于MP1樣品在同樣條件下的響應(yīng)電流值，見附圖3。

實(shí)施例3：將實(shí)施例1中步驟（2）中Pb（NO₃）₂和CH₄N₂S的量都改為0.0375mmol，其余均同實(shí)施例1，制得的二維MoS₂-PbS納米顆粒復(fù)合材料記為MP3。

實(shí)施例3得到的樣品MP3的晶型結(jié)構(gòu)和形貌結(jié)構(gòu)與MP1類似。在100mW cm^-2光強(qiáng)下，電壓0.5V時(shí)，MP3樣品的響應(yīng)電流為17.2μA cm^-2，低于MP2樣品在同樣條件下的響應(yīng)電流值，見附圖3。響應(yīng)電流減小的原因可能是PbS的負(fù)載量過大，大量的PbS顆粒不能與MoS₂片直接接觸，使得產(chǎn)生的光生電子不能及時(shí)傳遞到MoS₂片上，造成復(fù)合損失。