本發(fā)明屬于材料制備領(lǐng)域，具體涉及一種少層mos2薄膜的制備方法。

背景技術(shù)：

石墨烯具有獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)，其在物理、化學(xué)、機(jī)械等方面的獨(dú)特性能引起了國內(nèi)外學(xué)者的極大關(guān)注，但是由于石墨烯缺乏天然帶隙使其在很多方面的應(yīng)用受到了限制。mos2具有石墨烯層狀結(jié)構(gòu)并且具有天然帶隙，塊體和單層mos2的禁帶寬度分別為1.29ev和1.9ev，當(dāng)其厚度逐漸減小至單層時(shí)，其帶隙由間接帶隙轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訋?，這使mos2在光電探測(cè)、能量存儲(chǔ)、氣體傳感等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。另外，由于mos2的單層及少層結(jié)構(gòu)具有高韌性的特點(diǎn)，有望在柔性襯底上實(shí)現(xiàn)上述方面應(yīng)用的一體化。但是目前利用簡單、低成本的方法的制備出大面積的少層mos2薄膜依舊是個(gè)重要的挑戰(zhàn)。目前，國內(nèi)外制備超薄mos2的方法主要有微機(jī)械剝離法、鋰離子插層法、水熱法、高溫裂解法和化學(xué)氣相沉積法（cvd法）等[zhangws,zhangpp,suzq,etal.synthesisandsensorapplicationsofmos2-basednanocomposites.nanoscale,2015,7(44):18364–18378.]，微機(jī)械剝離法制備簡單，但是產(chǎn)量低，并且面積在μm²量級(jí)；鋰離子插層法和水熱法具有產(chǎn)量高的優(yōu)點(diǎn)，但是產(chǎn)物層數(shù)或結(jié)構(gòu)不可控、均勻性差；高溫裂解法一般采用的原料為進(jìn)口的四硫代鉬酸銨，其價(jià)格昂貴，不利于大規(guī)模生產(chǎn)；目前用cvd法制備mos2所用的原料一般為moo3和s粉末，原料便宜易得；另外，和其他幾種方法相比，cvd法對(duì)材料的形貌、結(jié)構(gòu)可控性高，所得樣品質(zhì)量比較好，是目前制備大面積連續(xù)薄膜的一個(gè)實(shí)際可行的方法。但是目前以moo3和s粉末為原料制備mos2的方法有兩種，按照蒸發(fā)moo3和用s粉末硫化moo3的具體步驟可以分為兩大類：其中一種采用在同一個(gè)爐子的不同位置同時(shí)蒸發(fā)moo3和s粉末[najmaeis.,liuz,zhouw.,etal.vapourphasegrowthandgrainboundarystructureofmolybdenumdisulphideatomiclayers.naturematerials,2013,12:754-759]（以下簡稱一步法），在生長過程中需要通過調(diào)節(jié)moo3和s粉末的蒸發(fā)溫度、氣體流量、蒸發(fā)源和基底的距離等因素控制產(chǎn)物的形貌，在合適的條件下可以生長得到的單層或少層mos2，mos2呈現(xiàn)出三角形形狀，每個(gè)三角形形狀mos2為單晶，三角形的大小在幾十微米，由多個(gè)三角形相互連接起來能夠形成mos2薄膜，但是想要得到少層的大面積mos2薄膜對(duì)生長條件要求苛刻，并且制備得到的mos2薄膜面積?。▽挾戎挥衜m量級(jí)）；另外一種方法是以moo3為原料先由熱蒸發(fā)鍍膜或?yàn)R射鍍膜法得到幾個(gè)納米厚的moo3薄膜，然后采用cvd方法用s粉末將moo3薄膜硫化[liuh,antwikka.,yingj,etal.towardslargeareaandcontinuousmos2atomiclayersviavapor-phasegrowth:thermalvaporsulfurization,nanotechnology2014,25:405702.]（傳統(tǒng)兩步法），最后得到少層的mos2薄膜。用這種方法得到的mos2薄膜是由大量納米片組成，而納米片的大小在200納米左右，這種由大量納米片組成的薄膜中存在大量晶界，這些晶界的存在會(huì)降低mos2的電學(xué)性能，因此，用這種方法制備得到的mos2不適合用于電子器件。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明以moo3和s粉末為原料，通過將moo3和s粉末的蒸發(fā)分兩步進(jìn)行（以下稱為兩步法），最終制備得到了大面積、具有少層結(jié)構(gòu)的mos2薄膜。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種少層mos2薄膜的制備方法，以moo3粉末和s粉末為前驅(qū)體，雙溫區(qū)管式爐為設(shè)備，具體步驟如下：

（1）moo3薄膜的沉積：將moo3粉末置于石英舟一端，基底倒扣并置于石英舟另一端，通入惰性氣體，惰性氣體從moo3粉末一端流向基底一端，對(duì)moo3進(jìn)行加熱，在基底上得到moo3薄膜；

（2）將步驟（1）制備的moo3薄膜和s粉末分別放于雙溫區(qū)管式爐的兩個(gè)溫區(qū)，通入惰性氣體，s粉末置于雙溫區(qū)管式爐的第一溫區(qū)，moo3薄膜置于雙溫區(qū)管式爐的第二溫區(qū)，加熱moo3薄膜和s粉末，完成moo3薄膜的硫化，制備得到mos2薄膜。

所述步驟（1）中moo3進(jìn)行加熱的溫度為650℃-850℃，升溫速率為10-15℃/min，保溫時(shí)間為2min-30min，壓強(qiáng)為30pa-常壓，惰性氣體的流速為20sccm-300sccm。

所述步驟（2）中首先以15℃/min的升溫速率加熱第一溫區(qū)，當(dāng)?shù)谝粶貐^(qū)的溫度達(dá)到400℃后開始加熱第二溫區(qū)，第二溫區(qū)在15min內(nèi)加熱到200℃，第二溫區(qū)加熱的同時(shí)繼續(xù)加熱第一溫區(qū)至650-800℃，之后保溫5-120min后自然降溫至室溫；在整個(gè)過程中，通入通入惰性氣體，作為保護(hù)氣體，氣體流速為30sccm，雙溫區(qū)管式爐內(nèi)壓強(qiáng)為常壓。

所述惰性氣體為n2或ar。

所述步驟（1）中的基底為si片、具有sio2絕緣層的si片或藍(lán)寶石基底。

所述步驟（1）中的基底在使用前依次經(jīng)過丙酮、無水乙醇、去離子水超聲清洗和o2等離子體處理。

所述步驟（1）中moo3粉末和步驟（2）中s粉末的質(zhì)量比是1:（10-15）。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明制備得到的mos2呈現(xiàn)出三角形形狀，每個(gè)三角形形狀mos2為單晶，三角形的大小在100微米左右，由多個(gè)三角形相互連接起來能夠形成mos2薄膜，具有少層結(jié)構(gòu)的mos2薄膜面積大概為0.7cm×1cm，與一步法相比，面積明顯增大；與傳統(tǒng)兩步法相比，單晶（三角形或納米片）尺寸增大了2-3個(gè)量級(jí)。制備得到的mos2可以用于制備場(chǎng)效應(yīng)晶體管或者氣敏器件。由于制備得到的單晶mos2和薄膜的面積相對(duì)于其他方法有較大提高，在制備場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件或氣敏器件時(shí)會(huì)大大降低對(duì)加工工藝的要求，進(jìn)而降低了制備成本。

附圖說明

圖1是實(shí)施例1制備的mos2薄膜的光學(xué)顯微鏡照片；

圖2是實(shí)施例1制備的mos2薄膜xrd圖；

圖3是實(shí)施例1制備的mos2薄膜的拉曼光譜圖

圖4是實(shí)施例1制備的mos2薄膜的原子顯微鏡圖譜；

圖5是圖4中虛線方向的高度分布圖；

圖6是本發(fā)明實(shí)驗(yàn)裝置示意圖；

圖7是硫化過程中第二溫區(qū)的溫度曲線圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

一種少層mos2薄膜的制備方法，以moo3粉末和s粉末為前驅(qū)體，雙溫區(qū)管式爐為設(shè)備，具體步驟如下：

（1）moo3薄膜的沉積：將0.1gmoo3粉末（99.9%）置于直徑為1.5cm，長約15cm的石英舟一端，將依次經(jīng)過丙酮、無水乙醇、去離子水超聲清洗和o2等離子體處理的2cm×2cm的si片倒扣在置于石英舟另一端，通入惰性氣體n2，惰性氣體從moo3粉末一端流向基底一端，對(duì)moo3進(jìn)行加熱，加熱的溫度為750℃，升溫速率為15℃/min，保溫時(shí)間為5min，壓強(qiáng)為100pa，惰性氣體的流速為100sccm，在基底上得到moo3薄膜；

（2）將步驟（1）制備的moo3薄膜和1gs粉末分別放于雙溫區(qū)管式爐的兩個(gè)溫區(qū)，s粉末置于雙溫區(qū)管式爐的第一溫區(qū)，moo3薄膜置于雙溫區(qū)管式爐的第二溫區(qū)，為了避免雙溫區(qū)管式爐內(nèi)的o2和水蒸汽影響產(chǎn)物成分，將雙溫區(qū)管式爐的腔室抽真空至5pa左右，并用n2清洗數(shù)次后再開始加熱雙溫區(qū)管式爐；首先以15℃/min的升溫速率加熱第一溫區(qū)，當(dāng)?shù)谝粶貐^(qū)的溫度達(dá)到400℃后開始加熱第二溫區(qū)，第二溫區(qū)在15min內(nèi)加熱到200℃，第二溫區(qū)加熱的同時(shí)繼續(xù)加熱第一溫區(qū)至650℃，之后保溫120min后自然降溫至室溫；在整個(gè)過程中，通入n2作為保護(hù)氣體，氣體流速為30sccm，雙溫區(qū)管式爐內(nèi)壓強(qiáng)為常壓；完成moo3薄膜的硫化，制備得到mos2薄膜。

圖1為本實(shí)施例制備的mos2薄膜的光學(xué)顯微鏡照片，從圖中可以看到三角形的大小在100微米左右并且連接在一起形成連續(xù)的薄膜，右上角是在sio2/si片上制備得到的mos2薄膜的照片，其中深顏色部分為樣品所在區(qū)域；

圖2將sio2/si片上的mos2薄膜轉(zhuǎn)移到玻璃上，然后進(jìn)行x射線衍射（xrd）表征，其中黑色圖譜是空玻璃片的xrd，為對(duì)照組實(shí)驗(yàn)，紅色圖譜為玻璃上的mos2薄膜，其中三個(gè)峰位分別對(duì)應(yīng)于六方硫化鉬的（002）、（006）、（008）峰位。

圖3是本實(shí)施例制備的mos2薄膜的拉曼光譜圖，mos2有兩個(gè)特征峰e(cuò)2g¹和a1g，圖3為mos2薄膜以及塊體mos2的拉曼光譜圖，e2g¹和a1g兩個(gè)特征峰分別位于385cm^-1和405cm^-1附近，由多層到單層漸變時(shí)，由于層間范德瓦耳斯力逐漸變強(qiáng),e2g¹和a1g兩個(gè)特征峰分別發(fā)生紅移和藍(lán)移，即兩個(gè)特征峰之間的間距減小。mos2薄膜的兩個(gè)特征峰間距為21.4cm^-1，證明該mos2薄膜為雙層。

圖4是mos2薄膜的原子顯微鏡圖譜，圖5為圖4中虛線方向的高度分布圖，從圖4和圖5可以得到mos2薄膜的厚度為1.39nm，證明mos2薄膜為雙層。

實(shí)施例2

一種少層mos2薄膜的制備方法，以moo3粉末和s粉末為前驅(qū)體，雙溫區(qū)管式爐為設(shè)備，具體步驟如下：

（1）moo3薄膜的沉積：將0.1gmoo3粉末（99.9%）置于直徑為1.5cm，長約15cm的石英舟一端，將依次經(jīng)過丙酮、無水乙醇、去離子水超聲清洗和o2等離子體處理的2cm×2cm的sio2/si片倒扣在置于石英舟另一端，通入惰性氣體n2，惰性氣體從moo3粉末一端流向基底一端，對(duì)moo3進(jìn)行加熱，加熱的溫度為650℃，升溫速率為13℃/min，保溫時(shí)間為30min，壓強(qiáng)為常壓，惰性氣體的流速為20sccm，在基底上得到moo3薄膜；

（2）將步驟（1）制備的moo3薄膜和1.3gs粉末分別放于雙溫區(qū)管式爐的兩個(gè)溫區(qū)，s粉末置于雙溫區(qū)管式爐的第一溫區(qū)，moo3薄膜置于雙溫區(qū)管式爐的第二溫區(qū)，為了避免雙溫區(qū)管式爐內(nèi)的o2和水蒸汽影響產(chǎn)物成分，將雙溫區(qū)管式爐的腔室抽真空至5pa左右，并用n2清洗數(shù)次后再開始加熱雙溫區(qū)管式爐；首先以15℃/min的升溫速率加熱第一溫區(qū)，當(dāng)?shù)谝粶貐^(qū)的溫度達(dá)到400℃后開始加熱第二溫區(qū)，第二溫區(qū)在15min內(nèi)加熱到200℃，第二溫區(qū)加熱的同時(shí)繼續(xù)加熱第一溫區(qū)至700℃，之后保溫80min后自然降溫至室溫；在整個(gè)過程中，通入n2作為保護(hù)氣體，氣體流速為30sccm，雙溫區(qū)管式爐內(nèi)壓強(qiáng)為常壓；完成moo3薄膜的硫化，制備得到mos2薄膜。

實(shí)施例3

一種少層mos2薄膜的制備方法，以moo3粉末和s粉末為前驅(qū)體，雙溫區(qū)管式爐為設(shè)備，具體步驟如下：

（1）moo3薄膜的沉積：將0.1gmoo3粉末（99.9%）置于直徑為1.5cm，長約15cm的石英舟一端，將依次經(jīng)過丙酮、無水乙醇、去離子水超聲清洗和o2等離子體處理的藍(lán)寶石基底倒扣在置于石英舟另一端，通入惰性氣體n2，惰性氣體從moo3粉末一端流向基底一端，對(duì)moo3進(jìn)行加熱，加熱的溫度為850℃，升溫速率為10℃/min，保溫時(shí)間為2min，壓強(qiáng)為30pa，惰性氣體的流速為300sccm，在基底上得到moo3薄膜；

（2）將步驟（1）制備的moo3薄膜和1.5gs粉末分別放于雙溫區(qū)管式爐的兩個(gè)溫區(qū)，s粉末置于雙溫區(qū)管式爐的第一溫區(qū)，moo3薄膜置于雙溫區(qū)管式爐的第二溫區(qū)，為了避免雙溫區(qū)管式爐內(nèi)的o2和水蒸汽影響產(chǎn)物成分，將雙溫區(qū)管式爐的腔室抽真空至5pa左右，并用n2清洗數(shù)次后再開始加熱雙溫區(qū)管式爐；首先以15℃/min的升溫速率加熱第一溫區(qū)，當(dāng)?shù)谝粶貐^(qū)的溫度達(dá)到400℃后開始加熱第二溫區(qū)，第二溫區(qū)在15min內(nèi)加熱到200℃，第二溫區(qū)加熱的同時(shí)繼續(xù)加熱第一溫區(qū)至800℃，之后保溫5min后自然降溫至室溫；在整個(gè)過程中，通入n2作為保護(hù)氣體，氣體流速為30sccm，雙溫區(qū)管式爐內(nèi)壓強(qiáng)為常壓；完成moo3薄膜的硫化，制備得到mos2薄膜。