CN103757602B - 单层二硫化钼薄膜的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单层二硫化钼薄膜的制备方法，可以包括以下步骤：提供硫粉并加热转变为硫蒸气；利用载气将硫蒸气吹入置有衬底和三氧化钼粉末的反应腔；将反应腔的温度加热到第一预设温度并保持第一预设时间，以使三氧化钼粉末与硫蒸气反应生成气态的MoO_3‑x并沉积到衬底上，其中0＜x≤1；将反应腔的温度加热到第二预设温度并保持第二预设时间，继续通入硫蒸气，以使硫蒸气与MoO_3‑x反应，在衬底表面形成单层二硫化钼薄膜，其中，第一预设温度小于第二预设温度。本发明能够通过两步反应法能够获得大面积、层数可控的单层二硫化钼薄膜。

Description

单层二硫化钼薄膜的制备方法

技术领域

本发明涉及化学气相沉积技术领域，具体涉及一种单层二硫化钼薄膜的制备方法。

背景技术

硅基集成电路技术(CMOS)在过去几十年取得了巨大的发展，成为现代社会经济发展的最重要的推动力之一。CMOS技术发展的主要标志就是器件的特征尺寸越来越小，截止频率越来越高。由于硅材料本身载流子迁移率的限制，硅基集成电路速度的提高主要依赖于栅长的缩小。随着器件尺度不断缩小，已接近加工精度和器件物理的极限，硅材料面临着许多挑战。2004年英国Manchester大学Geim教授领导的研究组发现单原子层二维石墨烯graphene以来，二维石墨烯由于优异的电学性能、机械性能、光学性能、热学性能等成为了当前的国际研究热点。然而由于完整的石墨烯没有带隙，极大地限制了它在半导体器件上的应用，尤其是在数字电路的应用。虽然研究人员通过掺杂、化学修饰、双层石墨烯等方法人为打开带隙，但性能的改善不明显，还会降低其电子流动性或者需要高电压。一维尺度受限的石墨烯纳米带具有一定的带隙，可以获得高性能的晶体场效应管，增加芯片速度与效能、降低耗热量，然而制备宽度窄的石墨烯纳米带又是非常困难的问题。

过渡金属硫族化物(transition metal dichalcogenides，TMD)二维原子晶体材料，如MoS₂等越来越受到了学术界和工业界的高度重视。因为该类材料单分子层内部天然就有较大的带隙，虽然它的电子流动性较差，但在制造晶体管时，用一种氧化层介质栅门就可使室温下单层二维原子材料的迁移率大大提高，许多独特的电学和光学性质在该材料由体材料降解到二维单分子层后体现出来，该类材料已成为新一代高性能纳米光电器件国际前沿研究的核心材料之一，在电子、光电器件方面有着广泛的应用前景，同时作为后硅时代的一种新型纳米电子材料，越来越得到了学术界和工业界的广泛关注，如图1所示。同当前广泛应用的硅相比，TMD除了体积更小，另一个优势是比硅的能耗更低。以MoS₂为代表的TMD材料制备的场效应晶体管，在稳定状态下耗能比传统硅晶体管小10万倍。

现有的MoS₂薄膜的制备主要集中在机械剥离，液相剥离等，但这些方法制备的薄膜层数不可控，而且获得的面积也比较小。化学气相沉积法CVD提供了一种很好获得大面积，层数可控规则排列的单层MoS₂薄膜的方法。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一或至少提供一种有用的商业选择。为此，本发明的目的在于提出一种制备大面积、层数可控的单层二硫化钼薄膜的制备方法。

为实现上述目的，根据本发明实施例的单层二硫化钼薄膜的制备方法，可以包括以下步骤：提供硫粉并加热转变为硫蒸气；利用载气将所述硫蒸气吹入置有衬底和三氧化钼粉末的反应腔；将所述反应腔的温度加热到第一预设温度并保持第一预设时间，以使所述三氧化钼粉末与所述硫蒸气反应生成气态的MoO_3-x并沉积到所述衬底上，其中0＜x≤1；将所述反应腔的温度加热到第二预设温度并保持第二预设时间，继续通入硫蒸气，以使所述硫蒸气与所述MoO_3-x反应，在所述衬底表面形成单层二硫化钼薄膜，其中，所述第一预设温度小于所述第二预设温度。

根据本发明实施例的单层二硫化钼薄膜的制备方法，通过两步反应法能够获得大面积、层数可控的单层二硫化钼薄膜。

在本发明的其他实施例中，还可以具有如下技术特征：

在本发明的一个实施例中，所述第一预设温度为100-600℃。

在本发明的一个实施例中，所述第二预设温度为650-900℃。

在本发明的一个实施例中，所述第一预设时间为10-30min。

在本发明的一个实施例中，所述第二预设时间为5-60min。

在本发明的一个实施例中，所述载气为高纯氮气、高纯惰性气体或掺杂氢气的惰性气体。

在本发明的一个实施例中，所述载气的流速为1-200sccm。

在本发明的一个实施例中，所述硫粉所在位置与所述三氧化钼粉末所在位置的距离为5-30cm。

在本发明的一个实施例中，所述衬底为硅、蓝宝石、云母或石英。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明实施例的单层二硫化钼薄膜的制备方法的流程图；

图2是本发明实施例的单层二硫化钼薄膜的拉曼光谱图；

图3是本发明实施例的单层二硫化钼薄膜的SEM图；

图4是本发明实施例的单层二硫化钼薄膜的AFM图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

根据本发明实施例的单层二硫化钼薄膜的制备方法，如图1所示，可以包括以下步骤：

步骤S1.提供硫粉并加热转变为硫蒸气。

步骤S2.利用载气将硫蒸气吹入置有衬底和三氧化钼粉末的反应腔。

步骤S3.将反应腔的温度加热到第一预设温度并保持第一预设时间，以使三氧化钼粉末与硫蒸气反应生成气态的MoO_3-x并沉积到衬底上，其中0＜x≤1。

该过程具体反应方程式为：MoO₃+S→MoO_3-x+x/2SO₂。其中，MoO_3-x易挥发为气态，能够顺利沉积到衬底上。

步骤S4.将反应腔的温度加热到第二预设温度并保持第二预设时间，继续通入硫蒸气，以使硫蒸气与MoO_3-x反应，在衬底表面形成单层二硫化钼薄膜，其中，第一预设温度小于第二预设温度。

该过程具体反应方程式为：MoO_3-x+(7-x)/2S→MoS₂+(3-x)/2SO₂。

根据本发明实施例的单层二硫化钼薄膜的制备方法，通过两步反应法能够获得大面积、层数可控的单层二硫化钼薄膜。

在本发明的一个实施例中，第一预设温度可以为100-600℃。

在本发明的一个实施例中，第二预设温度可以为650-900℃。

在本发明的一个实施例中，第一预设时间可以为10-30min。

在本发明的一个实施例中，第二预设时间可以为5-60min。

在本发明的一个实施例中，载气可以为高纯氮气、高纯惰性气体或掺杂氢气的惰性气体。优选采用，不与MoO₃粉末反应的高纯氮气或高纯惰性气体。由于掺杂氢气的惰性气体会促使更多MoO₃粉末转为蒸发的气态MoO_3-x，最终会使得S蒸气与MoO_3-x容易形成成较多层的MoS₂薄膜。其中的化学反应方程式如下：

MoO₃+H₂→MoO_3-x+x H₂O MoO_3-x+(6-x)/2S+H₂→MoS₂+(2-x)/2SO₂+H₂O

在本发明的一个实施例中，载气的流速为1-200sccm。载气流速过小，由于衬底置于盛有MoO₃粉末的瓷舟的上方，会使得衬底上沉积的薄膜会比较厚，不能保证是单层的二硫化钼薄膜。载气流速过大，则会使得易蒸发的气态MoO_3-x被载气吹走而不能沉积到衬底上。

在本发明的一个实施例中，硫粉所在位置与三氧化钼粉末所在位置的距离为5-30cm。硫粉升华为硫蒸气时所需要的热量通常是借助反应腔的辐射热。当该距离过大时，S粉离加热源太远，S粉基本不挥发，不能发生相应的化学反应。当该距离过小时，S粉离加热源太近，使得S粉挥发过快，使得MoO₃粉末与S蒸气直接反应形成MoO₂或者MoS₂粉末，而不容易形成易挥发的MoO_3-x蒸气，沉积到衬底上然后进一步硫化形成MoS₂薄膜。

在本发明的一个实施例中，衬底可以为硅、蓝宝石、云母或石英等材料。

为使本领技术人员更好地理解本发明，下面结合一个具体实验例子做详细介绍。

首先，选用OTF-1200X型号的真空气氛管式炉，将盛有MoO₃粉末的瓷舟置于反应腔中，并将硅衬底反向固定在瓷舟的正上方。将另一盛有S粉末的瓷舟置于距离盛有MoO₃粉末的瓷舟上方向20cm处。然后，通入高纯氮气并将反应腔中原来的空气排出，然后将反应腔的温度升高到200℃，保温10min。随后，将反应腔的温度升高到750℃，保温10min。然后快速冷却至室温，将样品取出，用多种手段进行表征。

如图2示出了该样品的Raman（拉曼光谱）图。从图中可以明显的看出MoS₂薄膜的两个主要Raman峰（385cm^-1，403cm^-1）。另外两个Raman峰之间的差值为18，证明了该MoS₂薄膜为单层，其中520cm^-1为衬底的Si峰。

如图3示出了该样品的SEM（扫描电子显微镜）图。从图中可以看到形成了规则形状的MoS₂薄膜。

如图4示出了该样品的AFM（原子力显微镜）图。从图中可以看出MoS₂薄片的高度为0.8nm左右，进一步证明形成了单层MoS₂薄膜。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种单层二硫化钼薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供硫粉并加热转变为硫蒸气；

利用载气将所述硫蒸气吹入置有衬底和三氧化钼粉末的反应腔；

将所述反应腔的温度加热到第一预设温度并保持第一预设时间，以使所述三氧化钼粉末与所述硫蒸气反应生成气态的MoO_3-x并沉积到所述衬底上，其中0＜x≤1；

将所述反应腔的温度加热到第二预设温度并保持第二预设时间，继续通入硫蒸气，以使所述硫蒸气与所述MoO_3-x反应，在所述衬底表面形成单层二硫化钼薄膜，

其中，所述第一预设温度小于所述第二预设温度，

所述硫粉所在位置与所述三氧化钼粉末所在位置的距离为5-30cm。

2.根据权利要求1所述的单层二硫化钼薄膜的制备方法，其特征在于，所述第一预设温度为100-600℃。

3.根据权利要求1或2所述的单层二硫化钼薄膜的制备方法，其特征在于，所述第二预设温度为650-900℃。

4.根据权利要求1所述的单层二硫化钼薄膜的制备方法，其特征在于，所述第一预设时间为10-30min。

5.根据权利要求1所述的单层二硫化钼薄膜的制备方法，其特征在于，所述第二预设时间为5-60min。

6.根据权利要求1所述的单层二硫化钼薄膜的制备方法，其特征在于，所述载气为高纯氮气、高纯惰性气体或掺杂氢气的惰性气体。

7.根据权利要求1所述的单层二硫化钼薄膜的制备方法，其特征在于，所述载气的流速为1-200sccm。

8.根据权利要求1所述的单层二硫化钼薄膜的制备方法，其特征在于，所述衬底为硅、蓝宝石、云母或石英。