化學氣相沉積生長單層二硫化鉬的方法
【專利摘要】一種化學氣相沉積生長單層二硫化鉬的方法，該方法包括生長襯底實施植入種子的預處理，前驅體預處理，準備生長、生長、得到單層二硫化鉬單晶以及連續的二硫化鉬單層膜等步驟。該方法制備單層二硫化鉬具有樣品質量高、面積大以及重復性好等特點。
【專利說明】化學氣相沉積生長單層二硫化鉬的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于新型二維納米材料制備領域，特別是一種化學氣相沉積生長單層二硫化鑰的方法。
技術背景
[0002]作為一大類石墨烯層狀材料，以單層二硫化鑰為代表的過渡金屬硫系化合物TMDC二維納米結構隨著多項優異光電性能和特殊物理現象的發現而廣受關注。近兩年，針對該類材料的制備、光電性質及應用的研究正在迅速展開。單層二硫化鑰的獨特性質可以概括為以下幾點:
[0003]I)單層二硫化鑰是一種類似于三明治的S-Mo-S的結構，屬于六方晶系；[0004]2)塊體的二硫化鑰是一種間接帶隙半導體，而單層二硫化鑰為直接帶隙半導體，其帶隙為~1.9eV ；
[0005]3)在激發光照射下，由于AB激子的躍遷,單層二硫化鑰可在~670nm和~620nm處發射熒光，其發光效率比塊體的二硫化鑰高四個數量級；
[0006]4)單層二硫化鑰具有很好的非線性光學性質，在超快光子激發下呈現出飽和吸收特性；
[0007]5)單層二硫化鑰具有良好的載流子輸運性能，在場效應晶體管、太陽能電池等領域有值得關注的潛在性應用。
[0008]制備單層二硫化鑰的方法包括機械剝離法、鋰離子插層剝離法、液相剝離法和化學氣相沉積法。機械剝離可以得到最大限度保持本征特性的單層二硫化鑰，樣品主要用于基礎物理、化學及應用等研究，但是無法大批量制備而且重復性差；鋰離子插層是利用鋰與水反應生成的氫氣克服層與層之間的范德瓦耳斯力的原理獲得寡層二硫化鑰，其主要缺點是制備的樣品不能保持本征屬性而且無法獲得較大面積的單層二硫化鑰；液相剝離是大批量制備薄層二硫化鑰的有效方法，但局限于其制備的樣品質量較低，無法獲得單層二硫化鑰，無法滿足前沿基礎研究領域的要求；化學氣相沉積是獲取較大面積、較高質量單層二硫化鑰的有效方法，利用該方法制備的單層二硫化鑰具有和機械剝離方法制備的樣品相媲美的質量，并且面積較大。

【發明內容】

[0009]本發明提供一種化學氣相沉積制備單層二硫化鑰的方法，該方法能制備出均勻性好、質量高、面積較大的單層二硫化鑰。該方法具有重復性好和批量制備的特點。
[0010]本發明的技術解決方案如下:
[0011]一種單層二硫化鑰的制備方法，其特點在于該制備方法包括下列步驟:
[0012]①對生長襯底實施植入種子的預處理:取一滴0.1~10mg/ml3，4，9，10-茈四甲酸二酐或3，4，9，10- 二萘嵌苯四羧酸四鉀鹽種子溶液，滴在純凈的生長襯底(具有300nm厚氧化層的硅片或石英片)表面；將生長襯底放置在旋涂儀上，設置旋涂儀轉速為1500~3000r/min，旋涂時間為I~3min，旋涂結束后將生長襯底放在真空干燥箱中保存備用；
[0013]②前驅體預處理:稱量10~120mg硫粉末和10~80mg氧化鑰粉末，將其分別放置在50~60°C真空干燥箱中保存12~24h ;
[0014]③裝爐:將氧化鑰均勻分散在陶瓷舟中，并將預處理過的生長襯底置放在陶瓷舟上方，共同置于真空管式爐的爐腔中央位置；將硫粉末均勻散布在另一個陶瓷舟中，放置在載氣上游距離盛有氧化鑰的陶瓷舟10~20cm的位置；密封真空管式爐石英管法蘭，然后通入載氣(気氣或氮氣)，在100~500sccm的流量下保持3~5min ；
[0015]④生長:設置真空管式爐的升溫速率為15~20°C /min，從室溫升溫至生長溫度600~850°C，在生長溫度下保持3~IOmin進行生長，然后使真空管式爐自然冷卻至室溫，在整個過程中保持載氣流量為10~500SCCm，真空管式爐石英管內氣壓保持一個大氣壓或
I~50Torr ；
[0016]⑤生長結束，獲得樣品:打開真空管式爐，從石英管中取出生長襯底，在生長襯底表面獲得單層二硫化鉬。
[0017]本發明的技術效果如下:
[0018]本發明化學氣相沉積的方法成功制備出二硫化鑰單晶以及單層二硫化鑰薄膜。該方法具有制備的單層二硫化鑰質量高，重復性好，可大量制備等特點。
[0019]掃描電鏡及原子力顯微鏡顯示該方法取得了突破，巧妙地利用了種子誘導生長的方法在不同生長襯底尤其是透明基底石英片上生長出質量高的單層二硫化鑰。
[0020]本發明為新型二維納米材料的基礎研究以及相關二維納米光電子器件的潛在性應用的研究提供了樣品制備的可靠手段。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本發明中所使用的生長條件。
[0022]圖2為本發明制備的單層二硫化鑰的拉曼光譜，其中①②為單層二硫化鑰的特征峰。
【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖和實施例對本發明做詳細說明。
[0024]實施例1
[0025]化學氣相沉積制備單層二硫化鑰的方法，包括下列步驟:
[0026]①對生長襯底實施植入種子的預處理:取一滴0.1mg/ml3, 4，9，10-茈四甲酸二酐或3，4，9，10- 二萘嵌苯四羧酸四鉀鹽種子溶液，滴在純凈的生長襯底(帶有300nm厚氧化層的硅片或石英片)表面；將生長襯底放置在旋涂儀上，設置旋涂儀轉速為3000r/min，旋涂時間為3min，旋涂結束后將生長襯底放在真空干燥箱中保存備用；
[0027]②前驅體(硫粉末和氧化鑰粉末)預處理:稱量20mg硫粉末和IOmg氧化鑰粉末，將其分別放置在60°C真空干燥箱中保存12h ；
[0028] ③將前驅體放入真空管式爐中，準備生長:將氧化鑰均勻分散在陶瓷舟中，并將預處理過的生長襯底置放在陶瓷舟上方，共同置于爐腔中央位置；將硫粉末均勻散布在另一個陶瓷舟中，放置在載氣上游距離盛有氧化鑰的陶瓷舟15cm的位置；密封真空管式爐石英管法蘭，然后通入載氣(氬氣)，在500sCCm的流量下保持5min (階段1)，參見圖1 ;
[0029]④生長過程:真空管式爐以升溫速率為15°C /min從室溫升溫至生長溫度650°C(階段2)，在生長溫度下保持5min (生長時間)(階段3)，然后使真空管式爐自然冷卻至室溫(階段4);在階段2和3載氣流量為lOsccm，階段4載氣流量為500sCCm ;整個過程中真空管式爐石英管內氣壓保持一個大氣壓。③④過程所用的條件如圖1所示，改變生長時間和載氣流量影響制備的樣品的尺寸和面積。實施例1制備的單層二硫化鑰的拉曼光譜如圖
2所示，其中兩個特征拉曼峰的間距為~19CHT1，證實了所得到的樣品為單層二硫化鑰。
[0030]實施例1至實施例20的制備方法的參數如表1所示。
[0031]實施例2~20主要考察化學氣相沉積制備單層二硫化鑰過程中，前驅體質量、生長溫度、生長時間、載氣流量、陶瓷舟間距和氣壓對生長過程中能否獲得單層二硫化鑰或者樣品質量的影響。具體實施過程同實施例1，區別在于分別改變了前驅體質量、生長溫度、生長時間、載氣流量、陶瓷舟間距、氣壓。
[0032] 表1本發明實施例:
[0033]
【權利要求】
1.一種化學氣相沉積生長單層二硫化鑰的方法，其特征在于該方法包括下列步驟: ①對生長襯底實施植入種子的預處理:取一滴0.1~10mg/ml3，4，9，10-茈四甲酸二酐或3，4，9，10- 二萘嵌苯四羧酸四鉀鹽種子溶液，滴在純凈的生長襯底具有300nm厚氧化層的硅片或石英片的表面；將生長襯底放置在旋涂儀上，設置旋涂儀轉速為1500~3000r/min，旋涂時間為I~3min，旋涂結束后將生長襯底放在真空干燥箱中保存12~24h ； ②前驅體預處理:稱量10~120mg硫粉末和10~80mg氧化鑰粉末，將其分別放置在50~60°C的真空干燥箱中保存12~24h ； ③裝爐:將氧化鑰粉末均勻分散在陶瓷舟中，并將預處理過的生長襯底置放在該陶瓷舟上方，共同置于真空管式爐爐腔的中央位置；將硫粉末均勻散布在另一個陶瓷舟中，放置在載氣上游距離盛有氧化鑰的陶瓷舟10~20cm的位置；密封真空管式爐石英管法蘭，然后通入IS氣或氮氣作載氣，在100~500sccm的流量下保持3~5min ； ④生長:真空管式爐以升溫速率15~20°C/min,從室溫升溫至生長溫度600~850°C，在生長溫度下保持3~lOmin，然后真空管式爐自然冷卻至室溫，在整個過程中保持載氣流量為10~500sccm,真空管式爐的石英管內氣壓保持一個大氣壓或I~50Torr ； ⑤打開真空管式爐，從石英管中取出生長襯底，在生長襯底表面具有單層二硫化鑰。
【文檔編號】C23C16/30GK103952682SQ201410161330
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月22日 優先權日:2014年4月22日
【發明者】王俊, 李源鑫 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所