CN105803421B - 一种过渡金属硫属化合物二维材料图形化生长的方法 - Google Patents

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Abstract

一种过渡金属硫属化合物二维材料图形化生长的方法。通过引入图形化金属阵列，在Si基底的金属点位上生长出结构完整的二维过渡金属硫属化合物材料。该方法具有操作简单、产量高、重复性强的优点，对于工业化生产尺寸可控、厚度可调的大面积图形化过渡金属硫属化合物二维材料和新型光电子器件的开发具有重要意义。

Description

一种过渡金属硫属化合物二维材料图形化生长的方法
技术领域
本发明涉及一种过渡金属硫属化合物二维材料图形化生长的方法。
背景技术
过渡金属硫属化合物（TMDs）是层状结构，层与层之间由范德华力相连接，其单层则以共价键方式构成。过渡金属二维化合物具有优异的半导体特性，其薄层，特别是单层材料在光电子器件方面更是表现出优异的特性。目前已有的薄层的制备方法主要有微机械剥离法、锂离子插层剥离法、液相超声剥离法、水热法以及化学气相沉积法。其中， 微机械剥离法一般是用特殊的胶带直接剥离TMDs 粉末成 纳米片，这种方法工艺简单、剥离效率高，但是具有产量低和重复性差等缺点；锂离子插层剥离法先利用锂离子插层剂与TMDs粉末反应（以下以MoS2为例说明），得到LixMoS2(x≥1)插层化合物，然后插层化合物在水等质子性溶剂中剧烈反应，超声提取得到多层乃至单层的MoS2，此法虽然能够大量生产薄层MoS2，但制备方法复杂，生产成本高； 液相超声剥离法基本原理是将MoS2 等层状材料放到合适的溶剂中,利用超声波进行振荡, 从而获得薄层的MoS2 纳米片，此法能够适合大规模生产，但剥离程度不高，不利于薄层MoS2的形成；水热法一般是将合适的钼源和硫源化合物在还原剂的作用下在密闭的反应容器(水热反应釜) 中于高温高压的水或其它有机溶剂条件下生长得到一定层数的纳米薄片。化学气相沉积法一般是选择合适的前驱体在高温条件下反应，于衬底上沉积得到比较大面积的薄层MoS2。化学气相沉积法能得到可控尺寸及厚度的高质量薄层MoS2。上述所有方法涉及的过渡金属二维化合物材料研究仅仅限于制备三角形单层过渡金属二维化合物单晶或其连续膜，目前还未见金属硫属化合物二维材料图形化生长的报道，而图形化生长在微纳光电子器件中又具有重要的应用前景。本发明提供一种金属硫属化合物二维材料图形化的生长方法，通过引入图形化金属阵列，在Si基底的金属点位上生长出结构完整的二维过渡金属硫属化合物材料。该方法具有操作简单、产量高、重复性强的优点，对于工业化生产尺寸可控、厚度可调的大面积图形化过渡金属硫属化合物二维材料和新型光电子器件的开发具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于CVD技术实现过渡金属硫属化合物二维材料图形化生长的方法。为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案（该方法适用MoS2、MoSe2、WS2、MoS2过渡金属硫属化合物二维材料图形化生长，以下仅以MoS2为例说明）：
一种过渡金属硫属化合物二维材料图形化生长的方法，其特征在于使用事先在Si/SiO2基片上光刻好的金属点阵，采用化学气相沉积技术，使反应物MoO3和S在高温低压的环境下发生氧化还原反应，在有金属阵列的基片上，沿阵列生长MoS2薄膜。整个反应在石英管内进行，将S源和Mo源按特定距离连接并放置于炉边上风口处，基片放置于下风口处，在炉边上风口处套以温控装置。使用机械泵抽真空，然后通以气体同时给真空炉升温。当中心炉温达到预设温度时移动S源和Mo源，使S源处于温控装置的位置，Mo源处于中心温区。经过一段时间的反应，停止加热并撤销S源和Mo源，打开炉子自然冷却到室温。
作为优选，所述金属阵列的材质为铂、钛、金；
作为优选，所述金属阵列其形状为点阵和十字叉阵；
作为优选，所述金属阵列的高度为10-70µm；
作为优选，所述基片为Si/SiO2片；
作为优选，所述S源的温度为190℃；
作为优选，所述Mo源的温度为850℃；
作为优选，所述通入腔体中的气体为￠Ar=100sccm和￠H2=3sccm。
所述基于CVD方法金属阵列催化生长材料的方法，其步骤为，首先在石英管内将S源和Mo源按特定距离连接并放置于炉边上风口处，基片放置于下风口处，在炉边上风口处套以温控装置。使用机械泵抽真空，然后通以气体同时给真空炉升温。当中心炉温达到预设温度时移动S源和Mo源，使S源处于温控装置的位置，Mo源处于中心温区。经过一段时间的反应，停止加热并撤销S源和Mo源，打开炉子自然冷却到室温。
本发明通过引入图形化金属阵列，在Si基底的金属点位上生长出结构完整的二维过渡金属硫属化合物材料。该方法具有操作简单、产量高、重复性强的优点，对于工业化生产尺寸可控、厚度可调的大面积图形化过渡金属硫属化合物二维材料和新型光电子器件的开发具有重要意义。
附图说明
图1为本发明所用实验装置示意图；
图2为本发明的金属点阵示意图
图3为实施例中所述方法生长的MoS2二维材料图形化的SEM显微图像。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细、完整地描述，所描述的实施例只是本发明中的一部分实施例，并不是全部的实施例。
如图1所示，一种基于CVD方法生长MoS2的实验装置，包括大腔体（1），反应物及基片载体（2）、（3）、（4），加热炉（5），真空泵（6）。其中大腔体（1）特征为耐高温刚性材料，以石英管为优选，载体（2）、（3）、（4）为石英舟。装置左侧连接混合气体进气口，炉口处装有一热电偶并与温控仪连接，以其达到对该处温度的控制作用。在加热炉的右侧连接一个真空阀以及机械泵，为实验过程提供一个真空环境以及保持良好的密封性。
如图2所示，一种金属阵列，其特征为相邻两个金属之间的距离为150μm,直径可以为1μm、5μm、10μm，金属材质以金、铂、钛为优选，金、铂点阵高度为15/55nm。
实施案例：
基片的处理：1）将切好的硅片至于无水乙醇溶液中，利用超声清洗器清洗10min。2）将无水乙醇溶液替换成丙酮溶液，再次超声清洗10min。3)重复第一步。4)将清洗过后的硅片从溶液中取出，用氮气将硅片正反两面的液体吹干。
将清洗过后的干净硅片置于石英舟中，并将其推入至炉子正中央即中心温区。秤取MoO30.01g以及S 0.3g，分别至于石英舟中并放入石英管内炉子左侧位置。将石英管密封，依次打开机械泵和真空阀将腔体抽真空，同时通以100sccm的Ar气作为保护气体和H2为还原气体。打开加热炉开关进行加热，待中心炉温加热至预设温度即850℃时，停留30min再移动S源和Mo源，使得S源处于温控装置的位置，而Mo源恰好处于中心温区，通入3sccm的H2，反应30min后停止加热并撤销S源和Mo源，打开炉子自然冷却到室温。
如图3所示，利用上述方法生长的MoS2材料在光学显微镜观察下的图像，按利用此法生长的二维材料，结构完整、形状一致、大小相同并且沿着金属点阵按周期性排列，对于二维薄膜材料的研究具有重要意义。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式的限制。 任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (9)

1.一种基于CVD方法金属阵列形核生长过渡金属硫属化合物二维材料的方法，其特征在于利用化学气相沉积技术，采用过渡金属氧化物和S，或Se在高温低压的环境下发生氧化还原反应，在有金属阵列的基片上，沿阵列生长过渡金属硫属化合物二维材料；反应物过渡金属氧化物和S，或Se按特定的距离放置于腔体不同位置处，反应过程中，在腔体内通入惰性气体为载气，通入H2、H2S，或H2Se为还原气体；所述金属阵列的材质为铂、钛或金。
2.根据权利要求1所述的基于CVD方法金属阵列形核生长过渡金属硫属化合物二维材料的方法，其特征在于所述金属阵列的形状为点阵或十字叉阵。
3.根据权利要求1所述的基于CVD方法金属阵列形核生长过渡金属硫属化合物二维材料的方法，其特征在于所述基片为生长了SiO2膜的Si片。
4.根据权利要求1-3任一项所述的基于CVD方法金属阵列形核生长过渡金属硫属化合物二维材料的方法，其特征在于所述过渡金属硫属化合物为MoS2、MoSe2或WS2。
5.根据权利要求1所述的基于CVD方法金属阵列形核生长过渡金属硫属化合物二维材料的方法，其特征在于所述腔体为刚性耐高温材料。
6.根据权利要求5所述的基于CVD方法金属阵列形核生长过渡金属硫属化合物二维材料的方法，其特征在于所述刚性耐高温材料为石英管、刚玉管或氧化锆管。
7.根据权利要求1所述的基于CVD方法金属阵列形核生长过渡金属硫属化合物二维材料的方法，其特征在于所述反应物S或Se的温度为120-350℃。
8.根据权利要求1所述的基于CVD方法金属阵列形核生长过渡金属硫属化合物二维材料的方法，其特征在于所述反应物过渡金属氧化物的温度为700-1000℃。
9.根据权利要求1所述的基于CVD方法金属阵列形核生长过渡金属硫属化合物二维材料的方法，其特征在于所述气体为Ar气、He气或N2气。
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