CN108559972B - 一种基于常压化学气相沉积的大面积单层二硫化钨薄膜的制备方法和产品 - Google Patents

一种基于常压化学气相沉积的大面积单层二硫化钨薄膜的制备方法和产品 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于常压化学气相沉积的大面积单层二硫化钨薄膜的制备方法和产品，制备过程包括SiO2/Si衬底清洗、旋涂WO3无水乙醇分散液、衬底烘干处理、样品放置和二硫化钨薄膜生长，该方法通过旋涂WO3无水乙醇分散液使WO3前驱体均匀分散于衬底上，并在石英管生长腔室内放置单端封闭的小口径石英管，有效地控制S粉末和WO3前驱体参与成核和薄膜生长过程的用量，制得的二硫化钨薄膜面积大，呈单层，且尺寸大，该方法还具有快速，可重复的优点，对大面积单层二硫化钨薄膜的制备具有重要意义。

Description

一种基于常压化学气相沉积的大面积单层二硫化钨薄膜的制 备方法和产品
技术领域
本发明属于材料领域，涉及一种基于常压化学气相沉积的大面积单层二硫化钨薄膜的制备方法；还涉及由该方法制得的产品。
背景技术
二硫化钨是一种新型二维材料，它具有优异的光学、电学、力学和热学性能，在电子器件、光电器件、传感器等领域具有巨大的应用前景。目前，以WO3和S固态粉末为反应前驱体、SiO2/Si为衬底、氩气为载气的化学气相沉积法是制备二硫化钨薄膜的主流方法。通过改变衬底(金、蓝宝石、BN)和载气(氢气)类型、控制生长压力(低压)、播晶种等方式，目前已能生长出不同尺寸和层数的二硫化钨薄膜，但现有方法由于不能有效控制参与成核和薄膜生长的反应前驱体的用量，使得二硫化钨薄膜的尺寸、层数和结晶质量等均难以控制，较难实现重复生长。
因此，急需一种能够有效控制参与成核和薄膜生长的反应前驱体用量的方法，解决二硫化钨薄膜尺寸，层数和结晶质量难以控制的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种基于常压化学气相沉积的大面积单层二硫化钨薄膜的制备方法；本发明的目的之二在于提供由该方法制得的产品。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于常压化学气相沉积的大面积单层二硫化钨薄膜的制备方法，包括如下步骤：
(1)SiO2/Si衬底清洗：将SiO2/Si衬底清洗去除衬底表面污物，吹干备用；
(2)旋涂WO3无水乙醇分散液：将WO3粉末加入无水乙醇中，分散均匀，制得WO3无水乙醇分散液，然后将WO3无水乙醇分散液均匀旋涂在清洗后的SiO2/Si衬底上；
(3)衬底烘干处理：将旋涂了WO3无水乙醇分散液的SiO2/Si衬底放置在加热台上，使无水乙醇蒸发完全，获得WO3粉末均匀分散的衬底；
(4)样品放置：将硫粉放置在单端封闭的石英管的密封端，将步骤(3)所得WO3粉末均匀分散的衬底放置于石英管未封闭端，并在所述WO3粉末均匀分散的衬底上方覆盖一片同尺寸的清洗过的SiO2/Si衬底，然后将石英管放入管式炉反应腔体内；
(5)二硫化钨薄膜生长：密封管式炉，抽真空，打开尾气阀，通入氩气，升温后保温至二硫化钨薄膜生长完成，在氩气气氛下自然冷却至室温，取出样品。
优选的，步骤(1)中，所述清洗为依次用酒精、去离子水、丙酮和去离子水超声清洗；所述吹干为氮气吹干。
优选的，步骤(2)中，所述WO3无水乙醇分散液浓度为0.25～0.75mg/ml，在此浓度范围内能将WO3在无水乙醇中充分分散，浓度过高在旋涂后WO3无法均匀分布，而无法形成大面积单层二硫化钨薄膜，并且影响二硫化钨的尺寸。
优选的，步骤(3)中，所述加热台温度为15～70℃，温度过低挥发时间较慢，影响工艺周期，而温度过高挥发过快容易使WO3聚集导致WO3分布不均，影响大面积单层二硫化钨薄膜的形成，并且影响二硫化钨的尺寸。
本发明中，石英管口径应大于衬底，优选的，所述石英管口径外径为1.5～3cm。
优选的，步骤(5)为密封管式炉，抽真空至10Pa以下，通入氩气至常压，打开尾气阀以200sccm的流量通入氩气；以10℃/min缓慢升至200℃，然后以28℃/min升至900℃，保温20min，在氩气气氛下自然冷却至室温(18～25℃)。
2、由所述的制备方法制得的大面积单层二硫化钨薄膜。
本发明的有益效果在于：本发明公开的一种基于常压化学气相沉积的大面积单层二硫化钨薄膜的制备方法，以SiO2/Si为衬底，通过改进S粉末前驱体和衬底放置方式以及WO3前驱体的分散方式，在未加入氢气、播晶种的常压条件下实现大尺寸单层二硫化钨薄膜的可控生长。相比传统方法，本发明的特点在于：一是在石英管生长腔室内放置了单端封闭的小口径石英管；二是将WO3前驱体以无水乙醇分散液的方式均匀旋涂在SiO2/Si衬底上。有效地控制了S粉末和WO3前驱体参与成核和薄膜生长过程的用量，实现快速、重复地制备大面积单层二硫化钨薄膜。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为基于常压化学气相沉积的大面积单层二硫化钨薄膜的制备流程图。
图2为二硫化钨薄膜表征结果((a)光学显微镜；(b)原子力显微镜；(c)拉曼光谱)。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
实施例1
基于常压化学气相沉积的大面积单层二硫化钨薄膜的制备方法，制备流程如图1所示，包括如下步骤：
(1)SiO2/Si衬底清洗
将5×5mm的SiO2/Si衬底依次在50ml酒精-去离子水-丙酮-去离子水中超声10分钟，去除衬底表面污物，然后用高纯氮气吹干备用；
(2)旋涂WO3无水乙醇分散液
将10mg的WO3(>99.9％)粉末加入到20ml无水乙醇中，并用搅拌器使其均匀分散，然后用移液器吸取5μl的WO3无水乙醇分散液均匀旋涂在清洗后的SiO2/Si衬底上；
(3)衬底烘干处理
将旋涂了WO3无水乙醇分散液的SiO2/Si衬底放置在加热台上，在60℃条件下使无水乙醇从衬底表面蒸发，仅留下均匀分散的WO3粉末；
(4)样品放置
称取0.5g硫粉(>99.5％)置于单端封闭的小口径石英管(外径2cm，长25cm)的密封端，将旋涂了WO3无水乙醇分散液的5×5mm SiO2/Si衬底放置于小口径石英管未封闭端，并在衬底上端覆盖5×5mm的清洗过的SiO2/Si衬底，然后将该小口径石英管放入管式炉反应腔体内，确保钨源前驱体在炉体的最高温度区域。
(5)二硫化钨薄膜生长
密封管式炉，用机械泵抽真空排除管内气体，待真空抽到10Pa以下关闭真空泵通入氩气至常压，打开尾气阀以200sccm的流量通入氩气以排除反应产生的废气；以10℃/min缓慢升至200℃，然后以28℃/min升至900℃，保温20min后在氩气气氛下自然冷却至室温。按照本实施例条件下所获得的二硫化钨薄膜表征结果如图2所示。结果显示，所制备薄膜为单层二硫化钨薄膜，且尺寸可达335μm。
上述实施例中，WO3无水乙醇分散液浓度为0.25～0.75mg/ml，所述加热台温度为15～70℃均可实现发明目的。
综上所述，本发明提供的一种大面积单层二硫化钨薄膜的制备新方法，通过改进S粉末前驱体和衬底放置方式以及WO3前驱体的分散方式，实现了大尺寸单层二硫化钨薄膜的可控生长。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (6)

1.一种基于常压化学气相沉积的大面积单层二硫化钨薄膜的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）SiO2/Si衬底清洗：将SiO2/Si衬底清洗去除衬底表面污物，吹干备用；
（2）旋涂WO3无水乙醇分散液：将WO3粉末加入无水乙醇中，分散均匀，制得WO3无水乙醇分散液，然后将WO3无水乙醇分散液均匀旋涂在清洗后的SiO2/Si衬底上；
（3）衬底烘干处理：将旋涂了WO3无水乙醇分散液的SiO2/Si衬底放置在加热台上，使无水乙醇蒸发完全，获得WO3粉末均匀分散的衬底；
（4）样品放置：将硫粉放置在单端封闭的石英管的密封端，将步骤（3）所得WO3粉末均匀分散的衬底放置于石英管未封闭端，并在所述WO3粉末均匀分散的衬底上方覆盖一片同尺寸且清洗过的SiO2/Si衬底，然后将石英管放入管式炉反应腔体内；
（5）二硫化钨薄膜生长：密封管式炉，抽真空，打开尾气阀，通入氩气，升温后保温至二硫化钨薄膜生长完成，在氩气气氛下自然冷却至室温，取出样品。
2.根据权利要求1所述一种基于常压化学气相沉积的大面积单层二硫化钨薄膜的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述清洗为依次用酒精、去离子水、丙酮和去离子水超声清洗；所述吹干为氮气吹干。
3.根据权利要求1所述一种基于常压化学气相沉积的大面积单层二硫化钨薄膜的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，所述WO3无水乙醇分散液浓度为0.25~0.75mg/ml。
4.根据权利要求1所述一种基于常压化学气相沉积的大面积单层二硫化钨薄膜的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，所述加热台温度为15~70℃。
5.根据权利要求1所述一种基于常压化学气相沉积的大面积单层二硫化钨薄膜的制备方法，其特征在于：所述石英管口径外径为1.5~3cm。
6.根据权利要求1所述一种基于常压化学气相沉积的大面积单层二硫化钨薄膜的制备方法，其特征在于：步骤（5）为密封管式炉，抽真空至10Pa以下，通入氩气至常压，打开尾气阀以200sccm的流量通入氩气；以10℃/min缓慢升至200℃，然后以28℃/min升至900℃，保温20min，在氩气气氛下自然冷却至室温。
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