本發(fā)明涉及二維材料的化學(xué)氣相沉積制備領(lǐng)域，尤其涉及一種使用輔助襯底大面積清潔制備單層二硫化鉬薄膜的方法。

背景技術(shù)：

近年來，類石墨烯二硫化鉬(mos2)作為二維過渡金屬硫?qū)倩衔?tmdcs)中的一員，引起了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的高度關(guān)注與廣泛研究。mos2屬于層狀半導(dǎo)體材料，擁有獨(dú)特的光學(xué)與電學(xué)特性，可以應(yīng)用在場效應(yīng)管、光電探測器、激光二極管以及太陽能電池等光電領(lǐng)域。另外，mos2擁有石墨烯無法比擬的隨層數(shù)可控的較大帶隙，因此，有望成為石墨烯的替代材料在未來的邏輯電路方面得到廣泛應(yīng)用，并被認(rèn)為是一種能夠延續(xù)摩爾定律的半導(dǎo)體材料。單層mos2薄膜是直接帶隙半導(dǎo)體，有很強(qiáng)的熒光發(fā)光效率，因其在光電器件中有很大的應(yīng)用潛力而備受關(guān)注。

目前，在mos2單層薄膜的眾多制備方法中，化學(xué)氣相沉積(cvd)方法因為有較高的單層產(chǎn)率、制備成本低、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用。在cvd制備過程中，經(jīng)常將生長襯底倒扣在鉬源上方以提高在襯底上的形核率。但是，此方法制備的單層mos2薄膜通常生長在襯底邊緣，襯底中央?yún)^(qū)域很大一部分都是鉬的不同價態(tài)的氧化物，較難實現(xiàn)在襯底上的大范圍清潔生長。如何實現(xiàn)單層mos2薄膜的大面積清潔生長是它最終能否實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵技術(shù)之一。

經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，不少科研團(tuán)隊在單層mos2薄膜的制備方面做了很多努力。例如，lee等人在《advancedmaterials》2012年第24卷第2320-2325頁報道了一種在生長襯底上旋凃種子以促進(jìn)形核的方法得到較大范圍生長的單層mos2薄膜，但該方法中的有機(jī)物種子可能會有殘留，從而降低mos2薄膜器件的性能；lin等人在《nanoscale》2012年第4卷第6637-6641頁報道了一種先在藍(lán)寶石襯底上蒸鍍?nèi)趸f(moo3)薄膜再分兩步進(jìn)行硫化的方法獲得晶圓尺寸范圍生長的單層mos2薄膜，但該方法獲得的連續(xù)薄膜是多晶薄膜，存在很多晶界，會顯著降低mos2薄膜器件的性能。一種操作簡單、低成本、高效率的大面積清潔制備單層mos2薄膜的方法對于其未來的規(guī)?；瘧?yīng)用非常有必要，并且目前尚未見報道。本發(fā)明的目的就是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種使用輔助襯底大面積清潔制備單層mos2薄膜的方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

鑒于當(dāng)前襯底倒扣法cvd生長單層mos2薄膜技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的旨在提供一種使用輔助襯底大面積清潔制備單層mos2薄膜的方法，解決上述倒扣法cvd生長單層mos2薄膜表面清潔度低、只在襯底邊緣生長的弊端，實現(xiàn)在生長襯底上大面積清潔單層mos2薄膜的制備。

本發(fā)明通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)：

選用管式爐作為生長設(shè)備，選用moo3粉末與硫(s)粉分別作為鉬源與硫源，將少量moo3粉末放置于管式爐高溫區(qū)，過量s粉放置于低溫區(qū)與moo3粉末隔開一定距離，控制溫度使得鉬源與硫源同時蒸發(fā)；輔助襯底放置于鉬源上方，生長襯底倒扣于輔助襯底上；將鉬源所在溫區(qū)加熱到預(yù)設(shè)溫度后保溫一段時間；鉬源與硫源蒸氣在載流氣體的帶動下進(jìn)入生長襯底與輔助襯底之間的縫隙并進(jìn)行化學(xué)氣相反應(yīng)生成mos2，沉積于生長襯底上。

根據(jù)本發(fā)明實施例的單層mos2薄膜的制備方法，通過使用輔助襯底能夠獲得沉積于不同生長襯底上的大面積、清潔均勻的單層mos2薄膜。

所述的moo3少量，主要與管式爐管徑大小、載流氣體流速等相關(guān)，可以按實際情況調(diào)節(jié)。例如，在我們的生長系統(tǒng)中，管子直徑為5cm、載流氣體流速為50sccm時，moo3粉末只需要1-5mg。

所述的s粉過量，主要是指s粉與moo3粉末的摩爾比例遠(yuǎn)大于2:1，從而可以使moo3蒸氣被徹底硫化。

所述的moo3粉末與s粉之間的距離，主要根據(jù)moo3粉末所在的高溫區(qū)生長溫度調(diào)節(jié)，生長溫度高，兩者隔開距離長；生長溫度低，兩者隔開距離短，以保證兩種源基本能夠同步被蒸發(fā)。兩者距離范圍在25-40cm之間。

所述的輔助襯底可以是耐高溫的、在單層mos2薄膜生長溫度范圍內(nèi)熱穩(wěn)定性良好的、面積略大于所述生長襯底的薄板材料，例如硅、石英、藍(lán)寶石等薄片，輔助襯底和倒扣的生長襯底下方的距離為0.1-2毫米之間。

所述的預(yù)設(shè)溫度為650-850℃。

所述的保溫時間為15-35分鐘。

所述的載流氣體可以是高純氮?dú)?、高純惰性氣體。

所述的生長襯底為硅、藍(lán)寶石、石英、云母等。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的大面積清潔制備單層mos2薄膜的主要生長設(shè)備示意圖

圖2是實施例1硅襯底上生長的單層mos2薄膜的掃描電子顯微鏡(sem)照片

圖3是實施例1單層mos2薄膜的拉曼光譜圖

圖4是實施例1單層mos2薄膜的熒光光譜圖

圖5是實施例1單層mos2薄膜獨(dú)立樣品的原子力顯微鏡(afm)照片

圖6是實施例1單層mos2薄膜獨(dú)立樣品的兩個拉曼振動模式的差值面掃描圖

圖7是實施例1單層mos2薄膜獨(dú)立樣品的熒光面掃描圖

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說明。

實施例1：鍍有300nm氧化硅的硅(sio2/si)襯底上使用輔助襯底大面積清潔制備單層mos2薄膜的方法，主要步驟為：

1、設(shè)備選擇與材料準(zhǔn)備：選擇雙溫區(qū)的管式爐為生長設(shè)備，管式爐的反應(yīng)腔為直徑是5cm的石英管。選擇鍍有約300nm氧化硅層的硅襯底作為生長襯底，選擇石英玻璃薄片作為輔助襯底。依次用丙酮、無水乙醇、去離子水對兩種襯底超聲處理10分鐘，最后用高純氮?dú)獯蹈纱?。moo3粉末3mg與s粉50mg分別放置于石英舟內(nèi)備用。選擇高純氮?dú)鉃樯L過程中的保護(hù)氣體與載流氣體。

2、生長過程：鉬源放置于氣流下游管式爐高溫區(qū)的中心區(qū)域，硫粉放置于氣流上游，與鉬源相距35cm。生長程序開啟之前，先用機(jī)械泵抽真空使管內(nèi)空氣排盡，而后整個生長過程中氮?dú)饬魉俣荚O(shè)置為50sccm，直至生長結(jié)束。當(dāng)鉬源到達(dá)生長溫度750℃時，硫粉基本同步到達(dá)200℃左右；之后保溫15分鐘，使單層mos2薄膜能夠穩(wěn)定生長。兩種源粉在載流氣體氮?dú)獾妮斔拖?，進(jìn)入到生長襯底與輔助襯底之間的狹縫，最終在生長襯底上沉積，在襯底上大范圍內(nèi)生成了均勻清潔的單層mos2薄膜。最后，管式爐溫控程序結(jié)束，管式爐自然降溫到室溫。

通過上述生長過程，在硅襯底表面得到了大范圍的清潔的均勻單層mos2薄膜。采用多種手段對樣品進(jìn)行了表征。

圖2示出了該樣品的掃描電子顯微鏡照片，可以看到，在硅襯底上生成了大量三角形的mos2薄膜。這些三角形區(qū)域的光學(xué)對比對非常均勻，證明制備的mos2薄膜非常均勻。

圖3示出了該樣品的拉曼光譜圖，可以看到，mos2薄膜的兩個主要的拉曼峰分別位于383cm^-1與404cm^-1，兩峰峰位的波數(shù)差為20cm^-1，符合單層mos2薄膜的特征，證明制備的mos2為單層，其中，520cm^-1為生長襯底的硅拉曼特征峰。

圖4示出了該樣品的熒光譜線圖，可以看到，單層mos2薄膜有一個非常強(qiáng)的峰位于682nm處，熒光效率非常高，說明是直接帶隙，間接證明了制備的mos2薄膜是單層。

圖5示出了該樣品的原子力顯微鏡照片，可以看到，mos2薄膜的高度約為0.85nm，符合單層mos2薄膜的層高特征，證明制備的是均勻的單層mos2薄膜。

圖6示出了三角形單層mos2薄膜樣品的兩個拉曼振動模式的波數(shù)差的面掃描圖，可以看到，波數(shù)差基本都在20cm^-1，證明制備的mos2薄膜是均勻的單層。

圖7示出了三角形單層mos2薄膜的熒光強(qiáng)度的面掃描圖，可以看到，熒光在整個三角形面上非常均勻，證明制備的三角形單層mos2薄膜非常均勻，缺陷少。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

1、可以實現(xiàn)單層mos2薄膜在不同生長襯底上的大范圍清潔制備。對于未使用輔助襯底的倒扣法cvd生長，單層mos2薄膜主要分布在襯底邊緣，襯底中央主要是鉬的各種氧化物，肉眼看去襯底中間呈黑色。而使用了輔助襯底之后，生長襯底的中央或邊緣都是單層mos2薄膜，實現(xiàn)了其在生長襯底上的大范圍清潔生長。

2、薄膜缺陷少，在此基礎(chǔ)上制備的場效應(yīng)晶體管的載流子遷移率高。輔助襯底的使用使得生長襯底表面的低價氧化鉬等污染變少，生長的薄膜缺陷少，整個表面熒光比較均勻，在此基礎(chǔ)上制備的場效應(yīng)晶體管的載流子遷移率普遍比沒有用輔助襯底生長的樣品的載流子遷移率高很多。

3、操作簡單。輔助襯底只需要放置于倒扣的生長襯底的下面，操作非常簡便。

4、輔助襯底可以反復(fù)使用，成本低。輔助襯底在生長完成后可以經(jīng)過清洗再使用，節(jié)約了生產(chǎn)成本。

5、可控性較好，成功率高。生長襯底與輔助襯底之間的縫隙一方面可以保證鉬源與硫源蒸氣有效通過，另一方面可以保證它們在縫隙內(nèi)充分反應(yīng)并有效沉積于生長襯底表面，因此，使用了輔助襯底的mos2薄膜生長的可控性較好，成功率高。

以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。