本發(fā)明涉及原子層沉積技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種二硫化鉬薄膜的制備方法。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，作為一種層狀過(guò)渡金屬硫化物的二硫化鉬(mos2)，由于具有優(yōu)異的機(jī)械、電學(xué)、光學(xué)和催化性能而引起了廣泛的關(guān)注，其在加氫脫硫催化、光伏電池、光催化、納米摩擦、鋰電池和干潤(rùn)滑等領(lǐng)域引起了一股研究熱潮。二硫化鉬常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式有三種：1t形、2h形、3r形。天然的2h-mos2晶體是典型的層狀結(jié)構(gòu)，分子層之間的距離為1.23nm，每一個(gè)分子層的厚度為0.625nm。每一個(gè)二硫化鉬分子層又分為3個(gè)原子層，中間一層為鉬原子，上下兩層為硫原子，每一個(gè)鉬原子被6個(gè)硫原子所包圍。在分子層內(nèi)部，硫和鉬原子以穩(wěn)定的化學(xué)鍵相結(jié)合，分子層之間以很弱的范德華力相結(jié)合。當(dāng)受到剪切力時(shí)，層與層之間極易形成滑移面，該滑移可以有效降低摩擦系數(shù)，減少材料的磨損。二硫化鉬是一種性能依賴層數(shù)的半導(dǎo)體材料，當(dāng)層數(shù)由多層變?yōu)閱螌訒r(shí)，其從1.2ev的間接帶隙半導(dǎo)體變?yōu)?.9ev的直接帶隙半導(dǎo)體，使發(fā)光效率大大增加，二硫化鉬在光電子器件領(lǐng)域的潛在應(yīng)用已經(jīng)引起廣泛的注意。

通常采用機(jī)械剝離的方法來(lái)制備層狀二硫化鉬薄膜，該方法制備的二硫化鉬具有完美的晶體結(jié)構(gòu)。但是，該方法制備的二硫化鉬薄膜尺寸較小，而且效率非常低。由于尺寸和效率的限制，機(jī)械剝離制備二硫化鉬薄膜的方法不能在集成電路制造等領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用。人工合成生長(zhǎng)大面積、高質(zhì)量的二硫化鉬薄膜顯得尤為迫切。基于現(xiàn)有的半導(dǎo)體工業(yè)技術(shù)，研究比較熱門(mén)的人工合成二硫化鉬的方法是化學(xué)氣相沉積法(cvd)。該方法是通過(guò)對(duì)鉬源(moo3或mocl5)和硫源(s粉)加熱，使其產(chǎn)生相應(yīng)的氣體前驅(qū)體，然后通過(guò)惰性氣體(ar或n2)將他們輸送到襯底附近，在襯底上生成所需的二硫化鉬薄膜。該方法雖然可以得到大面積、高質(zhì)量的二硫化鉬，但是其存在有不足的地方：(1)合成生長(zhǎng)的溫度較高，需要650℃-1000℃，這限制了在不耐高溫襯底上的應(yīng)用；(2)由于生長(zhǎng)過(guò)程是連續(xù)的，使薄膜的厚度不容易精確控制；(3)對(duì)于一些高深寬比的結(jié)構(gòu)，如孔和溝槽，cvd方法無(wú)法沉積均勻的薄膜，材料會(huì)沉積在開(kāi)放的邊緣處。

原子層沉積工藝(ald)依靠前驅(qū)體在基底樣品表面的自限制化學(xué)反應(yīng)沉積薄膜。通過(guò)交替通入前驅(qū)體脈沖，原子層沉積可以在高深寬比的結(jié)構(gòu)上均勻沉積薄膜，而且薄膜的厚度可以通過(guò)控制循環(huán)次數(shù)來(lái)精確控制。由于沉積溫度較低，對(duì)基底的耐高溫性沒(méi)有要求，該方法可以被廣泛地應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

技術(shù)問(wèn)題：本發(fā)明的目的在于提供一種二硫化鉬薄膜的制備方法，通過(guò)原子層沉積法制備的二硫化鉬薄膜材料，具有大面積、厚度可控、質(zhì)量均勻等優(yōu)點(diǎn)，該方法操作簡(jiǎn)單，適合自動(dòng)化、大規(guī)模生產(chǎn)。

技術(shù)方案：本發(fā)明的一種原子層沉積二硫化鉬薄膜的方法法包括以下步驟：

步驟一.將鉬源裝入源瓶，加熱到第一預(yù)設(shè)溫度并保持到第一預(yù)設(shè)時(shí)間，將置有基底樣品的反應(yīng)腔加熱到第二預(yù)設(shè)溫度并保持到第二預(yù)設(shè)時(shí)間；

步驟二.利用載氣將鉬源送入反應(yīng)腔，從開(kāi)始送入到送入結(jié)束的時(shí)間保持在第三預(yù)設(shè)時(shí)間，使鉬源與基底樣品表面發(fā)生自限制化學(xué)吸附，鉬源蒸氣送入結(jié)束后，繼續(xù)通入載氣并保持到第四預(yù)設(shè)時(shí)間，將反應(yīng)副產(chǎn)物和殘余的鉬源沖洗干凈；

步驟三.利用載氣將硫化氫送入反應(yīng)腔，從開(kāi)始送入到送入結(jié)束的時(shí)間保持在第五預(yù)設(shè)時(shí)間，使硫化氫與鉬源發(fā)生自限制化學(xué)反應(yīng)，在基底樣品上生成二硫化鉬薄膜，硫化氫吹入結(jié)束后，繼續(xù)通入載氣并保持到第六預(yù)設(shè)時(shí)間，將反應(yīng)副產(chǎn)物和殘余硫化氫沖洗掉。

其中：

所述第一預(yù)設(shè)溫度是50～250℃；所述第二預(yù)設(shè)溫度是200～500℃。

所述第一預(yù)設(shè)時(shí)間是1～120min。

所述第二預(yù)設(shè)時(shí)間是1～120min。

所述第三預(yù)設(shè)時(shí)間是0.1～300s。

所述第四預(yù)設(shè)時(shí)間是1～500s。

所述第五預(yù)設(shè)時(shí)間是0.1～300s。

所述第六預(yù)設(shè)時(shí)間是1～500s。

所述鉬源是五氯化鉬或六羰基鉬，所述基底樣品為金屬、藍(lán)寶石、碳化硅、氮化硅、硅、云母、石英或氧化硅。

所述載氣是氮?dú)饣驓鍤?，載氣流量是10～500ml/min。

在該制備方法中包含了兩個(gè)自限制化學(xué)反應(yīng)，他們構(gòu)成一個(gè)完整的循環(huán)，通過(guò)控制該循環(huán)數(shù)目，可以精確的控制所生長(zhǎng)二硫化鉬薄膜的厚度。

有益效果：采用本發(fā)明所述方法，生長(zhǎng)的二硫化鉬薄膜具有質(zhì)量均勻，表面平整，厚度可以精確控制等優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明制備方法易操作，所生長(zhǎng)的薄膜質(zhì)量均勻，重復(fù)性好，對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的襯底都可以生長(zhǎng)，適合用來(lái)大規(guī)模制備生產(chǎn)二硫化鉬薄膜。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明利用原子層沉積設(shè)備制備二硫化鉬薄膜的示意圖。圖1中相關(guān)標(biāo)注名稱如下：1.真空泵；2.反應(yīng)腔體；3.腔體加熱絲；4.待沉積基底樣品；5.v2氣動(dòng)閥；6.h2s源瓶；7.mocl5源瓶加熱絲；8.mocl5源瓶；9.v1氣動(dòng)閥；10.防倒吸瓶；11.naoh溶液；12.cuso4溶液。

圖2為本發(fā)明方法制備得到的二硫化鉬薄膜的sem圖，從照片中可以看出所生長(zhǎng)的二硫化鉬薄膜表面平整、均勻。

圖3為本發(fā)明方法制備得到的二硫化鉬薄膜的拉曼光譜圖，從圖中可以明顯看到二硫化鉬薄膜的兩個(gè)特征峰383cm^-1和408cm^-1。

圖4為本發(fā)明方法制備得到的二硫化鉬薄膜的tem圖，從照片中可以明顯看到二硫化鉬的層狀結(jié)構(gòu)。

具體實(shí)施方式

下面給出本發(fā)明的具體實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，所述實(shí)施例是對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步說(shuō)明，而不是限制本發(fā)明的范圍。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的二硫化鉬薄膜的制備方法，如圖1所示，可以包括以下步驟：

步驟s1.通過(guò)mocl5源瓶加熱絲7，將mocl5源瓶8加熱到50℃～250℃并保持1～120min，通過(guò)腔體加熱絲3，將放置有待沉積基底樣品4的反應(yīng)腔體2加熱到200～500℃并保持1～120min；

步驟s2.打開(kāi)v1氣動(dòng)閥9，載氣n2將mocl5送入反應(yīng)腔體2，mocl5通過(guò)化學(xué)吸附沉積在待沉積基底樣品4表面，關(guān)閉v1氣動(dòng)閥9，v1氣動(dòng)閥9從開(kāi)啟到關(guān)閉的時(shí)間為0.1～300s，繼續(xù)通入載氣n2并保持1～500s，將反應(yīng)腔體2內(nèi)殘余的mocl5和反應(yīng)副產(chǎn)物沖洗干凈；

步驟s3.打開(kāi)v2氣動(dòng)閥5，載氣n2將h2s送入反應(yīng)腔體2，h2s通過(guò)化學(xué)吸附沉積在mocl5表面并與之反應(yīng)生成mos2，關(guān)閉v2氣動(dòng)閥5，v2氣動(dòng)閥5從開(kāi)啟到關(guān)閉的時(shí)間為0.1～300s，繼續(xù)通入載氣n2并保持1～500s，將反應(yīng)腔體2內(nèi)殘余的h2s和反應(yīng)副產(chǎn)物沖洗干凈。

步驟s2和s3包含了兩個(gè)自限制化學(xué)反應(yīng)，他們構(gòu)成一個(gè)完整的循環(huán)，通過(guò)控制該循環(huán)數(shù)目，可以精確地控制所生長(zhǎng)mos2薄膜的厚度，得到質(zhì)量均勻，表面平整的mos2薄膜。

防倒吸瓶10，naoh溶液11和cuso4溶液12用于清洗殘余的h2s。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種原子層沉積二硫化鉬薄膜的方法，包括以下步驟：將鉬源裝入源瓶并加熱，加熱放置有基底樣品的反應(yīng)腔；利用載氣將鉬源吹入反應(yīng)腔，使鉬源與基底樣品表面發(fā)生自限制化學(xué)吸附，鉬源吹入結(jié)束后，繼續(xù)通入載氣，將反應(yīng)副產(chǎn)物和殘余的鉬源沖洗掉；利用載氣將硫化氫吹入反應(yīng)腔，使硫化氫與鉬源發(fā)生自限制化學(xué)反應(yīng)，在基底樣品表面生成二硫化鉬薄膜，硫化氫吹入結(jié)束后，繼續(xù)通入載氣將反應(yīng)副產(chǎn)物和殘余硫化氫沖洗掉。本發(fā)明制備的二硫化鉬薄膜質(zhì)量均勻、表面平整、厚度可以精確控制。

技術(shù)研發(fā)人員：劉磊;黃亞洲;呂俊;楊俊杰;陳云飛;倪中華
受保護(hù)的技術(shù)使用者：東南大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2017.06.26
技術(shù)公布日：2017.11.10