一種大面積單層及少層二硫化鉬薄膜的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及到納米材料的制備領(lǐng)域，尤其涉及一種大面積單層及少層二硫化鉬薄膜的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著半導(dǎo)體工藝的推進(jìn)，以硅為基礎(chǔ)的集成電路已經(jīng)遇到了嚴(yán)重的技術(shù)瓶頸，半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展中有著這樣一條定律:在價(jià)格不變的情況下，集成電路上可容納的晶體管的數(shù)目，約每隔18-24個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍。這就是著名的摩爾定律。但當(dāng)半導(dǎo)體工藝到達(dá)一定尺寸接近物理極限，摩爾定律就將會(huì)失效，這就迫切的要求我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)一種新材料去替代現(xiàn)在的硅基半導(dǎo)體。2004年，單層石墨烯的發(fā)現(xiàn)給微電子技術(shù)領(lǐng)域注入了一針強(qiáng)心劑，由于石墨烯具有獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)，且層與層之間無(wú)懸掛鍵，使其擁有極高的載流子迀移率、低的電阻率、高導(dǎo)熱率和高透光率等眾多優(yōu)異性能，因此在微電子、儲(chǔ)能器件、太陽(yáng)能電池、平板顯示等各方面都擁有巨大的應(yīng)用潛力。然而由于石墨烯的零帶隙結(jié)構(gòu)，限制了其在晶體管和存儲(chǔ)器件方面的應(yīng)用。近年來(lái)，研究人員發(fā)現(xiàn)一些過(guò)渡金屬硫化物如二硫化鉬(MoS2)、二硫化鎢(WS2)和二砸化物如二砸化鉬(MoSe2)、二砸化鎢(WSe2)等同樣也具有石墨烯的層狀二維結(jié)構(gòu)，其中二維的二硫化鉬就是其中的典型。二維單層二硫化鉬是由三層原子層構(gòu)成的六方晶系結(jié)構(gòu)，中間一層為鉬原子層，上下兩層均為硫原子層，鉬原子層被兩層硫原子層所夾形成類(lèi)“三明治”結(jié)構(gòu)，鉬原子與硫原子以共價(jià)鍵結(jié)合形成二維原子晶體；少層二硫化鉬由若干單層二硫化鉬堆疊而成，層間存在弱的范德華力，層間距約為0.65 nm。同樣作為二維層狀材料，和石墨烯不同的是，單層二硫化鉬具有直接帶隙，寬度為1.8 eV，因此其能用于晶體管和其他存儲(chǔ)器件。研究表明，當(dāng)單層二硫化鉬作為晶體管溝道時(shí)，其載流子迀移率最高可達(dá)200 cm2V \其在常溫下的開(kāi)關(guān)比可達(dá)IX 10s，并且具有超低的功耗。因此，二硫化鉬在微電子器件、晶體管、存儲(chǔ)器等方面具有巨大的潛力。
[0003]現(xiàn)階段制備層狀二硫化鉬的方法主要包括微機(jī)械剝離法、液相超聲法、鋰離子插層法、高溫?zé)岱纸夥?、高溫硫化法和化學(xué)氣相沉積法等。其中前三種方法不適合制備大面積的單層及少層二硫化鉬薄膜；高溫?zé)岱纸夥ㄉ婕暗降牧虼f酸銨價(jià)格昂貴，且操作難度較大；高溫硫化法要求預(yù)先制備一層幾個(gè)納米厚度的三氧化鉬薄膜或者鉬原子層，這本身就具較大的挑戰(zhàn)；相對(duì)而言，化學(xué)氣相沉積法具有較大的優(yōu)勢(shì)，所謂化學(xué)氣相沉積法，即分別將硫源和鉬源升華，讓其以氣相的形式發(fā)生反應(yīng)，最終沉積到襯底上形成二硫化鉬薄膜。然而，目前現(xiàn)有的化學(xué)氣相沉積法普遍存在兩個(gè)問(wèn)題:第一，氣流對(duì)反應(yīng)影響很大，由于通入的保護(hù)氣體同時(shí)又擔(dān)當(dāng)了硫源的載體，因此氣流的細(xì)微變化都會(huì)直接影響實(shí)驗(yàn)效果；第二，硫源的濃度和蒸氣壓較低且不穩(wěn)定，直接影響了二硫化鉬的生成及成膜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種方法解決上述的兩個(gè)問(wèn)題。本發(fā)明引入了一根石英試管，其在實(shí)驗(yàn)中主要起了兩個(gè)作用:第一，由于石英試管的導(dǎo)向作用，反應(yīng)過(guò)程中硫粉末升華后只通過(guò)擴(kuò)散傳播，不需要其他氣體作為載體，因此減少了氣流速度對(duì)反應(yīng)的影響；第二，石英試管的存在增大了硫蒸氣的濃度和蒸氣壓，并且保證了其濃度和蒸氣壓的穩(wěn)定性，因此提高了實(shí)驗(yàn)的重復(fù)率和效率。
[0005]本發(fā)明的目的主要是通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
[0006]實(shí)驗(yàn)器具包括一臺(tái)管式爐、一根石英試管和兩個(gè)石英舟等，其實(shí)驗(yàn)步驟主要包括:1)將硫粉末和三氧化鉬粉末分別裝入兩個(gè)石英舟中，將襯底放置于盛有三氧化鉬粉末的石英舟上，正面朝下；2)將盛有硫粉末和三氧化鉬粉末的兩個(gè)石英舟分別放置于一根石英試管的底端和管口處；3)將上述石英試管放置于管式爐中，試管底端和管口分別處于管式爐的邊緣區(qū)和中心區(qū)；4)向管式爐中通入保護(hù)氣體氬氣或氮?dú)?，且保持常壓，直至?shí)驗(yàn)結(jié)束；5)以一定的升溫速率升溫管式爐，使管式爐的邊緣區(qū)和中心區(qū)分別處于適當(dāng)溫度，并保持一段時(shí)間，硫粉末升華后與氣相三氧化鉬發(fā)生反應(yīng)，在襯底上生成大面積的單層及少層二硫化鉬薄膜；6)冷卻管式爐至室溫，完成制備過(guò)程。
[0007]所述的二硫化鉬薄膜的制備方法中，步驟5)中管式爐的升溫速率為10-20 °C /min，邊緣區(qū)的溫度為200-300 °C，中心區(qū)的溫度為650-750 °C，保持時(shí)間為8_30 min。
[0008]所述的二硫化鉬薄膜的制備方法中，石英試管的長(zhǎng)度為20-40 cm,內(nèi)徑為25_35mmD
[0009]所述的二硫化鉬薄膜的制備方法中，石英舟長(zhǎng)為30-50 mm，寬為8-15 mm，高為6-12 mmD
[0010]所述的二硫化鉬薄膜的制備方法中，步驟1)襯底正面與三氧化鉬粉末之間的間距為4-10 mm，襯底覆蓋石英舟上方的面積不超過(guò)石英舟開(kāi)口總面積的3/4，襯底為Si02/S1、藍(lán)寶石、云母片。
[0011]所述的二硫化鉬薄膜的制備方法中，步驟2)中盛有硫粉末和三氧化鉬粉末的石英舟之間的間距為15-30 cm。
[0012]本發(fā)明的有益效果。
[0013]針對(duì)現(xiàn)有化學(xué)氣相沉積法制備二硫化鉬薄膜存在的問(wèn)題，本發(fā)明在制備過(guò)程中引入了一根石英試管，石英試管的存在，一方面減少了氣流速度對(duì)反應(yīng)的影響，另一方面增加了硫蒸氣的濃度和蒸氣壓，從而顯著的提高了實(shí)驗(yàn)的重復(fù)率和效率。另外，該實(shí)驗(yàn)過(guò)程在常壓下即可進(jìn)行，且相對(duì)于現(xiàn)有的化學(xué)氣相沉積法具有效率高、對(duì)設(shè)備的要求低、操作簡(jiǎn)單、制備出的單層及少層二硫化鉬薄膜面積大等優(yōu)點(diǎn)，可作為制備大面積二硫化鉬薄膜的理想方法。經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)表明，以該方法制備二硫化鉬薄膜無(wú)需嚴(yán)格控制保護(hù)氣體的氣流大小，且重復(fù)率極高，單層二硫化鉬三角形片邊長(zhǎng)可達(dá)40 μ?以上，單層及少層二硫化鉬薄膜的面積達(dá)到了厘米級(jí)別。本發(fā)明的有益效果將會(huì)在下面的描述中更加明顯。
【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1為大面積單層及少層二硫化鉬薄膜的制備裝置示意圖。
[0015]圖2-(1)為實(shí)施例1所制備的單層及少層二硫化鉬薄膜的光學(xué)顯微鏡圖像；圖
2-(2)為二硫化鉬的拉曼光譜圖。
[0016]圖3-(1)為實(shí)施例2所制備的單層及少層二硫化鉬薄膜的光學(xué)顯微鏡圖像；圖
3-(2)為二硫化鉬的拉曼光譜圖。
[0017]圖4-(1)為實(shí)施例3所制備的單層及少層二硫化鉬薄膜的光學(xué)顯微鏡圖像；圖4-(2)為二硫化鉬的拉曼光譜圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]為了更清楚的表現(xiàn)本發(fā)明的目的、優(yōu)勢(shì)和基本流程，下面將結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0019]實(shí)施例1
將長(zhǎng)度為20 cm,內(nèi)徑為25 mm的石英試管和長(zhǎng)為30 mm,寬為8 mm,高為6 mm的兩個(gè)石英舟用先后用丙酮、無(wú)水乙醇和去離子水超聲洗凈，然后放在干燥箱干燥備用。
[0020]將Si02(285 nm)/Si襯底切成1 cmXl cm的尺寸，在無(wú)水乙醇中超聲5-10 min,再用沾有無(wú)水乙醇的脫脂棉擦干備用。
[0021]稱(chēng)取純度為99.5%的硫粉500 mg,均勻放置在石英舟里，石英試管平放，將盛有硫粉的石英舟緩慢推至石英試管的底端。
[0022]稱(chēng)取純度為99.9%三氧化鉬粉末10 mg,均勻的放置在另一個(gè)石英舟里，將洗凈擦干的Si02(285 nm)/Si襯底放置在盛有三氧化鉬粉末的石英舟上，正面朝下，離三氧化鉬粉末距離約為4 mm，然后將此石英舟放置在石英試管口處，與載有硫粉末的石英舟相距約15cm ο
[0023]將石英試管緩慢推至管式爐中，試管底端處于管式爐的邊緣區(qū)，試管口處于管式爐的中心區(qū)，如圖1所示。
[0024]用真空栗將管式爐抽至低壓狀態(tài)，然后緩慢放入氮?dú)庵脸海瑲饬鞯姆较蛉鐖D1所示，接著再抽至低壓，重復(fù)三次操作，確保排出管式爐里面的空氣，實(shí)驗(yàn)過(guò)程管式爐內(nèi)始終保持氮?dú)猸h(huán)境，且保持常壓。
[0025]設(shè)置升溫速度為10 °C/min，使其管式爐中心區(qū)升溫至650 °C，此時(shí)硫粉所處的邊緣區(qū)溫度約為200 °C，在此狀態(tài)下保持30 min。
[0026]反應(yīng)完以后降溫速率為10 V /min,當(dāng)溫度降至室溫以后，