CN108389778A - 一种制备过渡金属硫化物的金属与半导体异质结结构的方法 - Google Patents

一种制备过渡金属硫化物的金属与半导体异质结结构的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN108389778A
CN108389778A CN201810106367.XA CN201810106367A CN108389778A CN 108389778 A CN108389778 A CN 108389778A CN 201810106367 A CN201810106367 A CN 201810106367A CN 108389778 A CN108389778 A CN 108389778A
Authority
CN
China
Prior art keywords
metal
nbcl
metal sulfide
argon gas
preparing
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.)
Granted
Application number
CN201810106367.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN108389778B (zh
Inventor
李贺楠
龚雪
时玉萌
李捷妮
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.)
Shenzhen University
Original Assignee
Shenzhen University
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 Shenzhen University filed Critical Shenzhen University
Priority to CN201810106367.XA priority Critical patent/CN108389778B/zh
Publication of CN108389778A publication Critical patent/CN108389778A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108389778B publication Critical patent/CN108389778B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02367—Substrates
    • H01L21/0237—Materials
    • H01L21/02417—Chalcogenide semiconducting materials not being oxides, e.g. ternary compounds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01G—COMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
    • C01G33/00—Compounds of niobium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01G—COMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
    • C01G41/00—Compounds of tungsten
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518—Deposited layers
    • H01L21/02521—Materials
    • H01L21/02568—Chalcogenide semiconducting materials not being oxides, e.g. ternary compounds
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518—Deposited layers
    • H01L21/02587—Structure
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2002/00—Crystal-structural characteristics
    • C01P2002/80—Crystal-structural characteristics defined by measured data other than those specified in group C01P2002/70
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2002/00—Crystal-structural characteristics
    • C01P2002/80—Crystal-structural characteristics defined by measured data other than those specified in group C01P2002/70
    • C01P2002/82—Crystal-structural characteristics defined by measured data other than those specified in group C01P2002/70 by IR- or Raman-data
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00—Particle morphology
    • C01P2004/01—Particle morphology depicted by an image
    • C01P2004/02—Particle morphology depicted by an image obtained by optical microscopy
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00—Particle morphology
    • C01P2004/80—Particles consisting of a mixture of two or more inorganic phases
    • C01P2004/82—Particles consisting of a mixture of two or more inorganic phases two phases having the same anion, e.g. both oxidic phases

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

本发明属于材料制备技术领域，特别涉及基于过渡金属硫化物的金属与半导体异质结的制备方法。本发明通过两步CVD的方法制备金属与半导体异质结结构，通过传统方法首先制备WS2单层材料，NbCl5和硫粉为NbS2的来源，通过CVD高温区和低温区设置，采用特定的升温和冷却程序，实现了金属性过渡金属硫化物NbS2在单层WS2边缘的定位生长，为过渡金属硫化物的金属与半导体异质结结构的制备提供了新的思路。

Description

一种制备过渡金属硫化物的金属与半导体异质结结构的方法
技术领域
本发明属于材料制备技术领域，特别涉及一种制备过渡金属硫化物的金属与半导体异质结结构的方法。
背景技术
随着二维过渡金属硫化物异质结结构的不断发展，其独特的物理性质，光伏性能逐渐被发现和应用，基于二维材料的种类和异质结结构特点，可包括p-n型异质结结构，1T-1H异质结结构，金属-半导体异质结结构。在金属性过渡金属硫化物中，二硫化钒和二硫化铌是典型代表。
有研究表明，通过CVD的方式合成纳米厚度的二硫化钒晶体后，将其转移到单层二硫化钼上，可直接作为电极材料用于制备器件，且与金电极相比与半导体能够更好地接触。但是这种方法在器件制备过程中存在操作困难，效率低及不可控性。
发明内容
鉴于现有技术存在的问题，本发明提供了一种制备过渡金属硫化物的金属与半导体异质结结构的方法。通过调控CVD生长的条件，实现了制备NbS2-WS2这种金属与半导体与金属异质结结构的方法，且能够控制金属型的NbS2选择性地生长在WS2的边缘，为过渡金属二硫化物的可控定位生长提供了新的思路。
本发明通过以下技术方案来实现，一种制备过渡金属硫化物的金属与半导体异质结结构的方法：
所述方法在石英管中进行，石英管分为区域1和2，分别是CVD的高温区和低温区，所述步骤包括：
(1)、首先，采用传统制备方法制备二硫化坞单层结构，得到以单抛石英片为基底的三角形的单层WS2晶体；
(2)、将步骤(1)中得到的WS2材料置于干燥石英舟上，并放于石英管中部高温区，在距离WS2上端20厘米的距离放置过量硫粉，然后通过500sccm的氩气将体系中大部分空气和水汽排出；
(3)、然后在氩气保护下的手套箱中称量30mg NbCl5，由于NbCl5在空气中极易吸收水分而发生分解，因此需首先将其密封在5ml的离心管中，再从手套箱中取出；
(4)、快速将NbCl5倒入事先清洗并干燥的石英舟内，并于30s内送入石英管中，置于是硫粉的上端，然后继续采用500sccm氩气排除体系内空气10分钟；
(5)、体系末端依次连接防倒吸装置和尾气吸收装置，炉子高温区设置25℃/min的升温速度，在200℃保持10min，生长温度设置为750℃，持续15min，石英管中心650℃左右时采用加热带同时加热硫粉和NbCl5到190℃，高温区和低温区的升温和冷却常压下进行，升温及生长过程采用100sccm氩气与5sccm氢气，生长结束后改用100sccm氩气，打开炉体直到体系温度降低到100℃以下，可取出样品。
其中，硫粉和NbCl5依次置于炉体中心的上端，距离WS2约20厘米，硫粉和NbCl5之间相距3-5厘米。
优选NbCl5在称量和加入过程中不被水解。
优选H2/Ar的生长过程中混合气氛H2和Ar体积比范围为0.02-0.05。
本发明采用前述方法制备并得到基于NbS2-WS2的金属与半导体异质结结构，拉曼与PL光谱表征了异质结结构中边缘区域为3R-NbS2，中心区域为单层WS2。
本发明相对于现有技术的有益效果包括：
本发明通过两步CVD的方法制备金属与半导体异质结结构，实现了金属性的NbS2在单层WS2边缘的定位生长，为过渡金属硫化物的金属与半导体异质结结构的制备提供了新的思路，为电子器件的制备提供了便利。。
附图说明
图1为CVD生长的设备示意图，图中部件1、2、3和4，区域1和2分别是CVD的高温区和低温区，1为单层WS2样品，2为S粉，3为NbCl5，1为蓝宝石衬底，4为Ar和H2的混合气体。
图2为制备得到的金属与半导体异质结的光学显微镜图及各区域对应的荧光和拉曼谱，其中2(a)为异质结结构的光学显微镜图，2(b)和2(c)分别为中心区域单层WS2的荧光光学谱图与拉曼谱图，2(d)外延区域NbS2的拉曼谱图。
图3为异质结结构各区域的特征峰拉曼强度绘图，3(a)为WS2特征峰355cm-1位置的拉曼强度绘图，3(b)为NbS2特征峰383cm-1位置的拉曼强度绘图。
具体实施方式
下面结合优选实施方式和附图对本发明作进一步详细的描述，但发明的实施方式不限于此。
实施例
采用如图1的CVD生长的设备，图中部件1、2、3和4，区域1和2分别是CVD的高温区和低温区，1为单层WS2样品，2为S粉，3为NbCl5，1为蓝宝石衬底，4为Ar和H2的混合气体。
包括以下步骤：
(1)、首先，采用传统制备方法制备二硫化坞单层结构，得到以单抛石英片为基底的三角形的单层WS2晶体；
(2)、将步骤(1)中得到的WS2材料置于干燥石英舟上，并放于石英管中部高温区，在距离WS2上端20厘米的距离放置过量硫粉，然后通过500sccm的氩气将体系中大部分空气和水汽排出；
(3)、然后在氩气保护下的手套箱中称量30mg NbCl5，由于NbCl5在空气中极易吸收水分而发生分解，因此需首先将其密封在5ml的离心管中，再从手套箱中取出；
(4)、快速将NbCl5倒入事先清洗并干燥的石英舟内，并于30s内送入石英管中，置于是硫粉的上端，然后继续采用500sccm氩气排除体系内空气10min；
(5)、体系末端依次连接防倒吸装置和尾气吸收装置，炉子高温区设置25℃/min的升温速度，在200℃保持10min，生长温度设置为750℃，持续15min，石英管中心650℃左右时采用加热带同时加热硫粉和NbCl5到190℃，高温区和低温区的升温和冷却常压下进行，升温及生长过程采用100sccm氩气与5sccm H2，生长结束后改用100sccm氩气，打开炉体直到体系温度降低到100℃以下，可取出样品。
利用光学显微镜及拉曼设备对制备得到的样品进行表征，结果如下图2和图3。如图2(a)所示，三角形区域中心与边缘区域在光学显微镜下呈现不同的颜色，预示各区域代表不同的过渡金属硫化物，边缘宽度大于1微米，可采取拉曼光谱分析表征各区域。采用WITEC拉曼光谱仪对样品的荧光发射及拉曼特征进行了表征，图2(b)为中心区域的拉曼图谱，位于355cm-1左右和420cm-1左右的峰分别对应单层WS2的E2g振动模和A1g振动模。图2(c)为中心区域荧光光谱，在626nm处有较强的荧光发射。图2(d)为边缘区域的拉曼图谱，位于328cm-1左右和383cm-1左右的峰分别对应3R-NbS2的E2g振动模和A1g振动模。图3(a)为WS2的拉曼特征峰对应的拉曼强度绘图，图3(b)为NbS2的拉曼特征峰对应的拉曼强度绘图，该绘图与光学显微镜图可以很好地对应，表明金属性过渡金属硫化物NbS2可以选择性地定位生长在WS2边缘。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种制备过渡金属硫化物的金属与半导体异质结结构的方法，其特征在于：
所述方法在石英管中进行，石英管分为区域1和2，分别是CVD的高温区和低温区，所述步骤包括：
（1）、首先，采用传统制备方法制备二硫化坞单层结构，得到以单抛石英片为基底的三角形的单层WS2晶体；
（2）、将步骤（1）中得到的WS2材料置于干燥石英舟上，并放于石英管中部高温区，在距离WS2上端20厘米的距离放置过量硫粉，然后通过500 sccm的氩气将体系中大部分空气和水汽排出；
（3）、然后在氩气保护下的手套箱中称量30 mg NbCl5，由于NbCl5在空气中极易吸收水分而发生分解，因此需首先将其密封在5 ml的离心管中，再从手套箱中取出；
（4）、快速将NbCl5倒入事先清洗并干燥的石英舟内，并于30 s内送入石英管中，置于是硫粉的上端，然后继续采用500 sccm氩气排除体系内空气10分钟；
（5）、体系末端依次连接防倒吸装置和尾气吸收装置，炉子高温区设置25 °C/min的升温速度，在200 °C保持10 min，生长温度设置为750 °C，持续15 min，石英管中心650 °C左右时采用加热带同时加热硫粉和NbCl5到190 °C，高温区和低温区的升温和冷却常压下进行，升温及生长过程采用100 sccm氩气与5 sccm氢气，生长结束后改用100 sccm氩气，打开炉体直到体系温度降低到100 °C以下，可取出样品。
2.根据权利要求1的一种制备过渡金属硫化物的金属与半导体异质结结构的方法，其特征在于：所述步骤（2）为硫粉与WS2距离15-30厘米。
3.根据权利要求1的一种制备过渡金属硫化物的金属与半导体异质结结构的方法，其特征在于：所述步骤（4）为样品NbCl5置于硫粉上端。
4.根据权利要求1的一种制备过渡金属硫化物的金属与半导体异质结结构的方法，其特征在于：所述步骤（4）为样品NbCl5与硫粉距离3-5厘米之间。
5.根据权利要求1的一种制备过渡金属硫化物的金属与半导体异质结结构的方法，其特征在于：所述步骤（5）为生长过程采用氢气与氩气混合气，体积比0.02-0.05之间。
6.根据权利要求2-4任一项所述的一种制备过渡金属硫化物的金属与半导体异质结结构的方法，其特征在于：NbCl5称量和添加过程需尽量保持无水无氧环境，且其暴露于空气中的时间不得超过30 s。
7.根据权利要求3-4任一项所述的一种制备过渡金属硫化物的金属与半导体异质结结构的方法，其特征在于：NbCl5为NbS2生长的铌源。
CN201810106367.XA 2018-02-02 2018-02-02 一种制备过渡金属硫化物的金属与半导体异质结结构的方法 Active CN108389778B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810106367.XA CN108389778B (zh) 2018-02-02 2018-02-02 一种制备过渡金属硫化物的金属与半导体异质结结构的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810106367.XA CN108389778B (zh) 2018-02-02 2018-02-02 一种制备过渡金属硫化物的金属与半导体异质结结构的方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108389778A true CN108389778A (zh) 2018-08-10
CN108389778B CN108389778B (zh) 2020-05-12

Family

ID=63074385

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810106367.XA Active CN108389778B (zh) 2018-02-02 2018-02-02 一种制备过渡金属硫化物的金属与半导体异质结结构的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108389778B (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109629004A (zh) * 2019-01-09 2019-04-16 湖南大学 在无悬挂键基底上范德华外延形成原子级薄的过渡金属碲化物二维金属材料的方法
CN110808281A (zh) * 2019-11-07 2020-02-18 北京工业大学 一种单层MoS2-WS2横向异质结的制备方法
CN112279301A (zh) * 2020-10-28 2021-01-29 燕山大学 一种制备厘米级2H相CrS2-WS2水平异质结的方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5376109A (en) * 1976-12-20 1978-07-06 Toshiba Corp Sintered silent alloy
US20060040475A1 (en) * 2004-08-18 2006-02-23 Emerson David T Multi-chamber MOCVD growth apparatus for high performance/high throughput
CN104058458A (zh) * 2014-07-07 2014-09-24 中国科学技术大学 一种高质量单双层可控的二硫化钼制备方法
CN107445204A (zh) * 2016-11-30 2017-12-08 北京大学 一种制备过渡金属硫属化合物纳米薄片的方法和二硫化钒、二硒化钒纳米薄片

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5376109A (en) * 1976-12-20 1978-07-06 Toshiba Corp Sintered silent alloy
US20060040475A1 (en) * 2004-08-18 2006-02-23 Emerson David T Multi-chamber MOCVD growth apparatus for high performance/high throughput
CN104058458A (zh) * 2014-07-07 2014-09-24 中国科学技术大学 一种高质量单双层可控的二硫化钼制备方法
CN107445204A (zh) * 2016-11-30 2017-12-08 北京大学 一种制备过渡金属硫属化合物纳米薄片的方法和二硫化钒、二硒化钒纳米薄片

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109629004A (zh) * 2019-01-09 2019-04-16 湖南大学 在无悬挂键基底上范德华外延形成原子级薄的过渡金属碲化物二维金属材料的方法
CN110808281A (zh) * 2019-11-07 2020-02-18 北京工业大学 一种单层MoS2-WS2横向异质结的制备方法
CN112279301A (zh) * 2020-10-28 2021-01-29 燕山大学 一种制备厘米级2H相CrS2-WS2水平异质结的方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN108389778B (zh) 2020-05-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wang et al. Wafer-scale highly oriented monolayer MoS2 with large domain sizes
CN108389778A (zh) 一种制备过渡金属硫化物的金属与半导体异质结结构的方法
CN105272358B (zh) 一种大面积单层及少层二硫化钼薄膜的制备方法
Zhu et al. Synthesis of vertically aligned ultra-long ZnO nanowires on heterogeneous substrates with catalyst at the root
CN109638091B (zh) 一种高性能混合型光电探测器的构筑方法及其调控策略
CN108273541B (zh) 一种绿色高效制备石墨相氮化碳纳米片的方法和应用
CN105161576B (zh) 一种基于二硫化钼的肖特基异质结太阳能电池及其制备方法
CN102180439B (zh) 一种表面集成石墨烯的碳微结构及其制备方法
CN102212794A (zh) 一种基于电镀铜衬底制备大面积石墨烯薄膜的方法
CN108546994A (zh) 一种二维三硒化二铟原子晶体及其制备方法和用途
CN109727846A (zh) 大面积制备金属相与半导体相接触的二维碲化钼面内异质结的方法及应用
TWI526559B (zh) 藉由物理氣相沉積法在基板上成長碳薄膜或無機材料薄膜的方法
CN105734529B (zh) 一种二硫化钼纳米墙的合成方法
CN104810436B (zh) 一种发光二极管芯片及其制备方法
CN106711270A (zh) 一种柔性氧化镓基日盲紫外光电探测器及其制备方法
CN103352202A (zh) 一种常压化学气相沉积大面积高质量双层石墨烯薄膜的可控制备方法
CN108155294A (zh) 光电探测器及其制作方法、光电探测器织物
CN104418387B (zh) 一种二硫化钼纳米薄片及其制备方法
Zhou et al. SiC‐Shell Nanostructures Fabricated by Replicating ZnO Nano‐objects: A Technique for Producing Hollow Nanostructures of Desired Shape
CN113122818A (zh) 一种制备晶圆级单层二硫化钼薄膜的方法
CN108648992B (zh) 一种氧化锌石墨烯场效应管的制备方法
CN101469451A (zh) 一种氮化物材料的外延方法
CN107385508A (zh) 重复利用三氧化钼制备单层二硫化钼薄膜的方法
Tian et al. Direct growth of Si nanowires on flexible organic substrates
Guo et al. Controllable growth of large-area monolayer ReS 2 flakes by chemical vapor deposition

Legal Events

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