CN105154849B - 一种在金属基底上可控生长二维硫属化合物原子级薄膜的方法 - Google Patents

一种在金属基底上可控生长二维硫属化合物原子级薄膜的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN105154849B
CN105154849B CN201510623727.XA CN201510623727A CN105154849B CN 105154849 B CN105154849 B CN 105154849B CN 201510623727 A CN201510623727 A CN 201510623727A CN 105154849 B CN105154849 B CN 105154849B
Authority
CN
China
Prior art keywords
temperature
reaction source
reaction
atom level
metallic substrates
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201510623727.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN105154849A (zh
Inventor
台国安
曾甜
尤运城
王旭峰
胡廷松
郭万林
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Original Assignee
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanjing University of Aeronautics and Astronautics filed Critical Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority to CN201510623727.XA priority Critical patent/CN105154849B/zh
Publication of CN105154849A publication Critical patent/CN105154849A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105154849B publication Critical patent/CN105154849B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Abstract

本发明公开了一种在金属基底上可控生长二维硫属化合物原子级薄膜的方法，包括以下步骤：将金属基底和反应源置于真空反应装置中，抽真空，将反应源超过其熔点的温度进行加热使其挥发，通过载气输运到金属基底处，在250～1000℃反应温度下保持1～180min使金属基底与反应源反应，获得厚度可控的二维硫属化合物原子级薄膜。本发明采用化学气相沉积法，在同质的金属基底直接经过硫化、硒化、碲化可控生长出原子级薄膜，从而提供了一种制备大面积硫属化合物薄膜的方法。

Description

一种在金属基底上可控生长二维硫属化合物原子级薄膜的 方法
技术领域
本发明属于二维薄膜制备领域，特别涉及一种化学气相沉积制备原子级硫属化合物薄膜的方法。
背景技术
自2004年石墨烯被发现以来，由于其具有优异的电学、力学、光学和热学性能而备受关注。但是，本征态的石墨烯材料是一带隙为零的半金属，由其构筑的器件具有很高的漏电流，这严重限制了其在开关和逻辑器件方面的应用。自2011年以来，人们发现二维过渡金属硫属化合物，如硫化钼(MoS2)、硒化钼(MoSe2)、硫化钨(WS2)、硒化钨(WSe2)等,它们的结构与石墨烯类似，但是具有半导体特性受到了广泛关注。例如二硫化钼随着厚度的减小，其带隙从1.2eV增加到1.9eV，并且当厚度减小到单层时，其由间接带隙半导体变成了直接带隙半导体材料，发光效率也显著提高。科学家发现，尽管单层硫化钼的载流子迁移率比石墨烯小，但其电流的开关闭高达108，很适合于做半导体电子器件使用。因此，二维硫属化合物半导体材料的出现给纳电子器件领域带来了新的希望。
目前，二维硫属化合物原子级薄膜的制备主要有微机械剥离法、钼化合物((NH4)2MoS2)的高温分解法、金属氧化物与硫源反应法等，这些方法产量低、可控性较差，通过化学气相沉积法获得的二维材料大多是微米级的不连续的三角状结构，不易于大规模获得高质量二维硫属化合物原子级薄膜。采用金属基底原位反应法，可以满足规模化生产需要，是一种值得开发的技术。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种大面积连续制备硫属化合物原子级薄膜的方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种在金属基底上可控生长二维硫属化合物原子级薄膜的方法，包括以下步骤：将金属基底和反应源置于真空反应装置中，抽真空，将反应源超过其熔点的温度进行加热使其挥发，通过载气输运到金属基底处，在250～1000℃反应温度下保持1～180min使金属基底与反应源反应，获得厚度可控的二维硫属化合物原子级薄膜。
所述金属基底采用钼、钨、铌、钽、铂、锗、钛、锆、锡、铼、铟或铪制成。
所述反应源为硫、硒、碲的粉体，或者上述非金属的氧化物或氢化物。
所述含硫反应源加热温度为100～300℃，含硒反应源加热温度为150～800℃，含碲反应源加热温度为250～1000℃。
所述载气为氩气、氢气或两者混合气体，或者是氢化物气体。
二维硫属化合物原子级薄膜不限于二元材料，也包括通过对二元薄膜通过掺杂处理的三元、四元薄膜材料。
真空反应装置也就是化学气相沉积系统包括惰性气体流量计、氢气流量计、石英管、管式炉和加热带，石英管其中一段设置有加热带，另一段置于管式炉中，石英管的一侧通过惰性气体流量计、氢气流量计分别与惰性气体、氢气气瓶相连，石英管的另一侧与玻璃容器相连，用真空泵油密封。
为了适合大规模生产需要，石英管和管式炉也可以换成一个具有较大空间的气氛炉，其操作步骤与上述管式炉相同。
本发明采用化学气相沉积法，在同质的金属基底直接经过硫化、硒化、碲化可控生长出原子级薄膜，从而提供了一种制备大面积硫属化合物薄膜的方法。
本方法对设备条件要求较低、操作流程简单、产物质量高、可控性好且易于大面积制备，适合大规模生产。
本方法得到的产品可应用于多个技术领域，包括晶体管器件、传感器和制动器。
附图说明
图1是本发明实施例采用的反应装置的结构示意图。
图2是本发明实施例1所制备单层二硫化钼薄膜的光学显微镜照片。
图3是本发明实施例1所制备单层二硫化钼薄膜的原子力显微镜照片(a)和拉曼光谱(b)。
图4是本发明实施例2所制备少数层二硫化钼薄膜的光学显微镜照片。
图5是本发明实施例3所制备的少数层二硒化钼的光学显微镜照片(a)和拉曼光谱(b)。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
图1是进行制备原子级硫属化合物薄膜时的真空反应装置的结构示意图，如图1所示，真空反应装置也就是化学气相沉积系统包括惰性气体流量计、氢气流量计、石英管、管式炉和加热带，石英管其中一段设置有加热带，另一段置于管式炉中，石英管的一侧通过惰性气体流量计、氢气流量计分别与惰性气体、氢气气瓶相连，石英管的另一侧与玻璃容器相连，用真空泵油密封。
实施例1
一种化学气相沉积制备原子级硫属化合物薄膜的方法，包括以下制备步骤：
(1)将20微米厚的钼箔基底首先在50sscm流量的氢气环境下，在1400度下退火10小时以上；
(2)将退火之后的钼箔剪裁成3.5×2.5cm2的小片放入石英管式炉中；
(3)称量0.5克硫粉，放入石英管的前端，该处使用加热带加热；
(4)将石英管两端封闭进行抽真空20分钟，排除管道中剩余的氧气；
(5)然后将石英管一端用与硅胶管连接后，用真空泵油密封；
(6)打开氩气瓶阀门，对石英管中注入氩气，使其流量为10sccm；
(7)打开管式炉炉温控制开关，设定升温速度为25摄氏度每分钟，升温至300摄氏度；
(8)打开加热带温控开关对硫粉进行加热，设定温度为150摄氏度；
(9)保持加热带区的温度10分钟使硫粉充分熔融后，开启管式炉炉温控制开关使其升温至600摄氏度；
(10)600摄氏度下反应进行1分钟后，将氩气流量计开至100sccm，迅速关掉加热带温控开关，开启炉膛，用风扇快速冷却炉温；
(11)等炉温冷却到室温时，将反应后的金属箔片从管式炉中取出；
(12)使用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)对生长的单层硫化钼薄膜进行转移到其它衬底上。
所制备单层二硫化钼薄膜的光学显微镜照片见图2，原子力显微镜照片和拉曼光谱见图3。
实施例2
一种化学气相沉积制备原子级硫属化合物薄膜的方法，包括以下制备步骤：
(1)将20微米厚的钼箔基底首先在50sscm流量的氢气环境下，在1400度下退火10小时以上；
(2)将退火之后的钼箔剪裁成3.5×2.5cm2的小片放入石英管式炉中；
(3)称量0.5克硫粉，放入石英管的前端，该处使用加热带加热；
(4)将石英管两端封闭进行抽真空20分钟，排除管道中的剩余氧气；
(5)然后将石英管一端与硅胶管连接后，用真空泵油密封；
(6)打开氩气瓶阀门，对石英管中注入氩气，使其流量为10sccm；
(7)打开管式炉炉温控制开关，设定升温速度为25摄氏度每分钟，升温至300摄氏度；
(8)打开加热带温控开关对硫粉进行加热，设定温度为150摄氏度；
(9)保持加热带区的温度10分钟使硫粉充分熔融后，开启管式炉炉温控制开关使其升温至700摄氏度；
(10)在反应进行1分钟后，将氩气流量计开至100sccm，迅速关掉加热带温控开关，开启炉膛，用风扇快速冷却炉温；
(11)等炉温冷却到室温时，将反应后的金属箔片从管式炉中取出；
(12)使用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)对生长的多层硫化钼薄膜进行转移到其它衬底上。
所制备少数层二硫化钼薄膜(即几个原子层)的光学显微镜照片见图4。
实施例3
一种化学气相沉积制备原子级硫属化合物薄膜的方法，包括以下制备步骤：
(1)将20微米厚的钼箔基底首先在50sscm流量的氢气环境下，在1400度下退火10小时以上；
(2)将退火之后的钼箔剪裁成3.5×2.5cm2的小片放入石英管式炉中；
(3)称量0.5克硒粉，放入石英管的前端，该处使用加热带加热；
(4)将石英管两端封闭进行抽真空20分钟，排除管道中的剩余氧气；
(5)然后将石英管一端用与硅胶管连接后，用真空泵油密封；
(6)打开氢气和氩气瓶阀门，对石英管中注入氢气和氩气，使其流量为2sccm和18sccm；
(7)打开管式炉炉温控制开关，设定升温速度为25摄氏度每分钟，升温至300摄氏度；
(8)打开加热带温控开关对硒粉进行加热，设定温度为250摄氏度；
(9)保持加热带区的温度10分钟使硒粉充分熔融后，开启管式炉炉温控制开关使其升温至600摄氏度；
(10)在反应进行1分钟后，将氩气流量计开至100sccm，迅速关掉加热带温控开关，开启炉膛，用风扇快速冷却炉温；
(11)等炉温冷却到室温时，将反应后的金属箔片从管式炉中取出；
(12)使用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)对生长的多层硒化钼薄膜进行转移到其它衬底上。
所制备的少数层二硒化钼(即几个原子层)的光学显微镜照片和拉曼光谱见图5。
实施例4
一种化学气相沉积制备原子级硫属化合物薄膜的方法，包括以下制备步骤：
(1)将50微米厚的钨箔基底裁成1×1cm2的小片在50sscm流量的氢气环境下，在1400度下退火10小时以上；
(2)将退火之后的钨箔放入石英管式炉中；
(3)称量0.5克硫粉，放入石英管的前端，该处使用加热带加热；
(4)将石英管两端封闭进行抽真空20分钟，排除管道中的剩余氧气；
(5)然后将石英管另一端与硅胶管连接后，用真空泵油密封；
(6)打开氩气瓶阀门，对石英管中注入氢气和氩气，使其流量为10sccm；
(7)打开管式炉炉温控制开关，设定升温速度为25摄氏度每分钟，升温至300摄氏度；
(8)打开加热带温控开关对硫粉进行加热，设定温度为150摄氏度；
(9)保持加热带区的温度10分钟使硫粉充分熔融后，开启管式炉炉温控制开关使其升温至600摄氏度；
(10)反应进行1分钟后，将氩气流量计开至100sccm，迅速关掉加热带温控开关，开启炉膛，用风扇快速冷却炉温；
(11)等炉温冷却到室温时，将反应后的金属箔从管式炉中取出；
(12)使用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)对生长的多层硒化钼薄膜进行转移到其它衬底上。
所制备的薄膜为单原子层硫化钨。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种在金属基底上可控生长二维硫属化合物原子级薄膜的方法，其特征在于包括以下步骤：将金属基底和反应源分别置于真空反应装置中，金属基底置于石英管式炉中，反应源置于石英管前段的加热带上，温度分别进行控制；抽真空，将反应源超过其熔点的温度进行加热使其挥发，通过载气输运到金属基底处，在250～1000℃反应温度下保持1～180min使金属基底与反应源反应，获得厚度可控的二维硫属化合物原子级薄膜；
所述金属基底采用钼、钨、铌、钽、铂、锗、钛、锆、锡、铼、铟或铪制成；
所述反应源为硫、硒、碲的粉体，或者上述非金属的氧化物。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述含硫反应源加热温度为100～300℃，含硒反应源加热温度为150～800℃，含碲反应源加热温度为250～1000℃。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述载气为氩气、氢气或两者混合气体，或者是氢化物气体。
CN201510623727.XA 2015-09-25 2015-09-25 一种在金属基底上可控生长二维硫属化合物原子级薄膜的方法 Active CN105154849B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510623727.XA CN105154849B (zh) 2015-09-25 2015-09-25 一种在金属基底上可控生长二维硫属化合物原子级薄膜的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510623727.XA CN105154849B (zh) 2015-09-25 2015-09-25 一种在金属基底上可控生长二维硫属化合物原子级薄膜的方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105154849A CN105154849A (zh) 2015-12-16
CN105154849B true CN105154849B (zh) 2018-04-03

Family

ID=54795885

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201510623727.XA Active CN105154849B (zh) 2015-09-25 2015-09-25 一种在金属基底上可控生长二维硫属化合物原子级薄膜的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105154849B (zh)

Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105803421B (zh) * 2016-03-25 2020-03-20 南昌大学 一种过渡金属硫属化合物二维材料图形化生长的方法
CN106430120A (zh) * 2016-08-31 2017-02-22 洛阳师范学院 一种硒化锗粉末的制备方法
CN107574475B (zh) * 2017-07-11 2019-10-01 电子科技大学 一种HfS2单晶纳米片的制备方法
CN107815663B (zh) * 2017-10-19 2019-12-31 深圳大学 一种有效提升单层二维过渡金属硫族化合物产率、品质的方法
US11309539B2 (en) 2018-01-04 2022-04-19 GM Global Technology Operations LLC Electrochemical cell and method of manufacturing
US10797353B2 (en) * 2018-01-04 2020-10-06 GM Global Technology Operations LLC Method of manufacturing an electrochemical cell
US11502287B2 (en) 2018-01-04 2022-11-15 GM Global Technology Operations LLC Method of manufacturing an electrochemical cell
CN108545725B (zh) * 2018-05-14 2021-07-09 南京航空航天大学 一种石墨烯制备装置及应用该装置图案化生长石墨烯的方法
CN108588713B (zh) * 2018-05-23 2020-07-07 南京航空航天大学 一种二维磷化钼薄膜的制备方法
CN109023295A (zh) * 2018-07-16 2018-12-18 广东工业大学 一种大面积二维的二硫化铼薄膜及其制备方法和应用
CN109786742B (zh) * 2019-01-15 2021-09-28 五邑大学 一种Se掺杂MXene电池负极材料及其制备方法和应用
CN110648922A (zh) * 2019-09-10 2020-01-03 南京大学 一种二维过渡金属硫属化合物薄膜大面积转移的方法及其应用
CN111422909B (zh) * 2020-04-03 2021-03-19 湖南大学 一种以高熔点硫酸钠为硫源制备过渡金属硫化物的方法
CN111545221B (zh) * 2020-04-22 2023-07-25 清华-伯克利深圳学院筹备办公室 同源金属梯度材料及其制备方法和应用
CN111514916A (zh) * 2020-05-12 2020-08-11 刘志国 一种制备氮掺杂钼基硫族化合物电解水析氢催化材料的方法
CN112695381A (zh) * 2020-12-22 2021-04-23 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 一种快速生长超薄大尺寸单晶过渡金属硫/硒化物的方法
CN113186599B (zh) * 2021-04-12 2022-08-05 武汉大学 一种超薄、高结晶质量的二维锗(110)单晶的制备方法

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5298295A (en) * 1991-04-10 1994-03-29 Wayne State University Chemical vapor deposition of metal chalcogenide films
CN103952682A (zh) * 2014-04-22 2014-07-30 中国科学院上海光学精密机械研究所 化学气相沉积生长单层二硫化钼的方法
CN104894530B (zh) * 2015-06-09 2018-02-02 国家纳米科学中心 一种二维过渡金属硫族化物薄膜及其制备方法和应用

Also Published As

Publication number Publication date
CN105154849A (zh) 2015-12-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105154849B (zh) 一种在金属基底上可控生长二维硫属化合物原子级薄膜的方法
Zhou et al. A library of atomically thin metal chalcogenides
Hu et al. Two‐dimensional semiconductors grown by chemical vapor transport
CN110257800B (zh) 一种过渡金属硫族化合物薄层材料及其制备方法和应用
US10400331B2 (en) Method for manufacturing metal chalcogenide thin film and thin film manufactured thereby
Mutlu et al. Phase engineering of 2D tin sulfides
KR102325522B1 (ko) 금속 칼코게나이드 박막의 제조 방법
Marks et al. Semiconductors grown large and thin
US9840764B2 (en) Method of fabricating transition metal dichalcogenide
CN109868454B (zh) 一种二维硫化铬材料的制备方法
KR101682307B1 (ko) 전이금속 디칼코제나이드 대면적 성장 방법 및 상기 방법에 사용되는 장치
KR101591833B1 (ko) 도핑 된 금속 칼코게나이드 박막의 제조 방법 및 그 박막
CN108002445B (zh) 硫化铼的制备以及硫化镉/硫化铼复合材料
US10246795B2 (en) Transfer-free method for forming graphene layer
Bergeron et al. Large-area optoelectronic-grade InSe thin films via controlled phase evolution
CN110607561A (zh) 一种单层过渡金属硫化物的制备方法
CN111206230B (zh) 一种新型二维硫化铬材料的制备方法
Kawamura et al. Tunability of the bandgap of SnS by variation of the cell volume by alloying with AE elements
Lim et al. Nucleation promoted synthesis of large-area ReS2 film for high-speed photodetectors
KR101638121B1 (ko) 전이금속 디칼코게나이드의 제조 방법 및 제조 장치
KR20200127524A (ko) 금속 칼코게나이드 박막 및 그 제조방법과 제조장치
Gantassi et al. Physical investigations on (In2S3) x (In2O3) y and In2S3− xSex thin films processed through In2S3 annealing in air and selenide atmosphere
Rathod et al. A photoelectron study of annealing induced changes to workfunction and majority carrier type in pulsed laser deposited few layer WS 2 films
CN105132884B (zh) 一种化学气相沉积制备原子级硼薄膜的方法
Jian et al. Dependence of the photoelectric performance of the CVD-grown 2D WS2 on the oxygen-doping concentration

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant