CN108910953A - 一种Fe掺杂单层MoS2化学气相沉积制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于二维纳米材料的制备，具体涉及一种Fe掺杂单层MoS2化学气相沉积制备方法。本发明分别以升华硫和三氧化钼作为硫源和钼源，选择Fe的化合物作为Fe元素掺杂物，高纯氩气作为载流气体对前驱体进行运输至反应区，基底选择SiO2/Si，在生长反应之前，对基底进行预处理。整个生长过程包括空间气相反应和表面生长两个过程。本发明在空间气相反应过程中生成低价态过渡金属氧化物、过渡金属氧硫化物、过渡金属硫化物等各种中间基团的同时，Fe的化合物也一并随着载流气体在基底上部与各种中间基团进行反应，最后经过吸附、扩散、反应、脱附等过程，在衬底上生长出大面积Fe掺杂的单层MoS2，最大尺寸可达30μm。

Description

一种Fe掺杂单层MoS2化学气相沉积制备方法
技术领域
本发明属于二维纳米材料的制备，具体涉及一种Fe掺杂单层MoS2化学气相沉积制备方法。
背景技术
2004年，康斯坦丁·诺沃肖洛夫和安德烈·盖姆首次用机械剥离法制备出厚度极小的纳米尺度的石墨烯，自此，二维纳米材料的研究拉开了序幕。石墨烯凭借优越的力性、光学特性以及导电性等，在太阳能电池、传感器、柔性显示屏方面的应用不断深入拓展，但石墨烯零带隙的特点阻碍了其在半导体领域的发展。近年来，除了石墨烯意外，过渡族金属硫化物、二维碘化铬、二维六方氮化硼等二维材料也被制备并且得到应用，极大地促进了二维材料的发展。
在二维的过渡族金属硫化物中,包括三种性质:金属性、半金属性和半导体性,其中MoS2被许多研究者广泛研究，二维的MoS2在光电子和纳电子器件的应用中有着巨大的潜力，以MoS2为代表的过渡金属硫化物层状材料由于具有电子性能、光学性能和机械性能等而成为应用于纳米电子学和光电子学领域的新一代材料。纯的MoS2具有抗磁性，为了调控二维MoS2的性能并丰富其材料特性，可以对其进行进行可控掺杂，赋予本征二维材料本身缺乏的性能，如磁性等。
Zhao X等研究了金属元素掺杂WSe2的电子和磁性质，采用基于密度泛函理论的第一性原理方法计算出Fe掺杂会使体系产生1.902μB磁矩。因此，实现对二维MoS2的Fe元素掺杂也可以进一步丰富二维MoS2磁学特性研究。目前层状MoS2常用制备方法主要有机械剥离法和化学气相沉积法，其中化学气相沉积法与机械剥离法相比，可获得较高质量的MoS2，化学气相沉积法主要是利用含有薄膜元素的一种或几种气相化合物或单质、在衬底表面上进行化学反应生成薄膜的方法。
目前金属元素对层状MoS2的掺杂在技术上尚未成熟，仅有对二维MoS2的锰掺杂得以实现，基于磁性质的研究需要，迫切需求一种可实现的铁元素掺杂单层MoS2技术。
发明内容
本发明针对上述背景技术存在的问题和不足，为解决目前金属铁掺杂单层过渡族金属硫化物的问题，本发明提供了一种Fe掺杂单层MoS2化学气相沉积制备方法。
该方法具体包括以下步骤：
步骤一：分别称取升华硫1g—1.5g，MoO310mg—20mg，Fe的化合物1mg—10mg，并分别置于三个石英舟中；
步骤二：将3,4,9,10-苝四酸二酐溶于水，其中3,4,9,10-苝四酸二酐与水的质量比为0.4％—1％；
步骤三：将步骤二配制的溶液滴加在SiO2/Si基底上，然后将基底置于40℃—55℃的加热板上，加热3min—15min；
步骤四：依次将步骤三操作后的基底、步骤一所述的Fe的化合物、MoO3按远离低温区的方向顺序置于管式炉的高温区，基底与Fe的化合物间距为1cm—5cm，Fe的化合物与MoO3间距为1cm—5cm，Fe的化合物位于高温区的中心位置；将步骤一所述的升华硫置于管式炉低温区中心位置。低温区与高温区的中心间距为25cm—35cm。
步骤五：向管式炉中通入流速为80sccm—100sccm的氩气/氢气(氢气含量0-5％)，排出管中空气后；继续通入流速为30sccm—50sccm的氩气/氢气(氢气含量0-5％)作为载流气体，管内压力稳定在0.1torr—1torr；
步骤六：对管式炉加热，高温加热区温度设置600℃—800℃，升温时长30min—50min，恒温时间30min—60min；低温加热区温度设置180℃—300℃，升温时长3min—15min，温度稳定后保持至高温区加热结束时一并停止；
步骤七：加热结束后，继续通入流速为80sccm—100sccm的氩气/氢气(氢气含量0-5％)，待管式炉自然冷却至室温。
本发明分别以升华硫和三氧化钼作为硫源和钼源，选择Fe的化合物作为Fe元素掺杂物，高纯氩气作为载流气体对前驱体进行运输至反应区，基底选择SiO2/Si，在生长反应之前，对基底进行预处理，在反应加热前对基底滴加类似苯环分子的3,4,9,10-苝四酸二酐溶液，使基底可以引入初期形核中心。整个生长过程包括空间气相反应和表面生长两个过程。
本发明在空间气相反应过程中生成低价态过渡金属氧化物(如MoO3－x)、过渡金属氧硫化物(如MoOS2)、过渡金属硫化物(如MoS2)等各种中间基团的同时，Fe的化合物也一并随着载流气体在基底上部与各种中间基团进行反应，最后经过吸附、扩散、反应、脱附等过程，在衬底上生长出大面积Fe掺杂的单层MoS2，最大尺寸可达30μm。
本发明所涉及的方法不仅可以制得层数均一的Fe掺杂的单层MoS2，也可以定量控制Fe的化合物的掺杂量，制备不同掺杂比例的MoS2单层。化学气相沉积法被认为是一个获得面积较大、结晶质量较高、层数均一的MoS2的最有希望的方法，本发明在单层MoS2生长的同时，通过使用Fe的化合物对其进行化学掺杂，既可以保持MoS2较高质量，也首次实现了大面积Fe掺杂的单层MoS2的生长。
附图说明
图1为本发明Fe掺杂单层MoS2化学气相沉积制备的装置简图；
图2为实施例中的Fe掺杂单层MoS2的光学显微镜图；
图3为实施例中的Fe掺杂单层MoS2的原子力显微镜图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。
如图1所示，为本发明Fe掺杂单层MoS2化学气相沉积制备的装置简图；该装置由低温加热区与高温加热区双温区组成，各反应物放置顺序如图所示。
本实施方式所述的Fe掺杂单层MoS2化学气相沉积制备方法具体为：
步骤1、分别称取升华硫1.2g，18mg MoO3，5mg FeS2，并置于两个石英舟中。
步骤2、将3,4,9,10-苝四酸二酐溶于水，其中3,4,9,10-苝四酸二酐与水的质量比为0.6％。
步骤3、将步骤2配制的溶液滴加在SiO2/Si基底上，将基底至于45℃的加热板上，加热时间10min。
步骤4、依次将步骤3操作后的基底、步骤1所述的FeS2、MoO3按远离低温区的方向顺序置于管式炉的高温区，基底与FeS2间距为2cm，FeS2与MoO3间距为2cm，FeS2位于高温区的中心位置；步骤1所述的升华硫置于管式炉低温区中心位置。
步骤5、低温区与高温区间距为30cm；管式炉中通入流速为90sccm的氩气/氢气(氢气含量0-5％)，以排出管中空气；继续通入流速为40sccm的氩气/氢气(氢气含量0-5％)作为载流气体，管内压力稳定在0.5torr；
步骤6、开始加热，高温加热区温度设置700℃，升温时长40min，恒温时间40min；低温加热区温度设置200℃，升温时长10min，温度稳定后保持至高温区加热结束时一并停止。
步骤7、加热结束后，继续通入流速为90sccm的氩气/氢气(氢气含量0-5％)，待管式炉自然冷却至室温。
本实施方式最终制备的Fe掺杂单层MoS2呈三角形，尺寸达15μm以上(标尺为20μm)，如图2所示。图3示出本实施方式制得的Fe掺杂单层MoS2原子力显微镜图，其三角形表面形貌较平坦，厚度小于1nm。

Claims (2)

1.一种Fe掺杂单层MoS2化学气相沉积制备方法，具体包括以下步骤：
步骤一：分别称取升华硫1g—1.5g，MoO310mg—20mg，Fe的化合物1mg—10mg，并分别置于三个石英舟中；
步骤二：将3,4,9,10-苝四酸二酐溶于水，其中3,4,9,10-苝四酸二酐与水的质量比为0.4％—1％；
步骤三：将步骤二配制的溶液滴加在SiO2/Si基底上，然后将基底置于40℃—55℃的加热板上，加热3min—15min；
步骤四：依次将步骤三操作后的基底、步骤一所述的Fe的化合物、MoO3按远离低温区的方向顺序置于管式炉的高温区，基底与Fe的化合物间距为1cm—5cm，Fe的化合物与MoO3间距为1cm—5cm，Fe的化合物位于高温区的中心位置；将步骤一所述的升华硫置于管式炉低温区中心位置；低温区与高温区的中心间距为25cm—35cm；
步骤五：向管式炉中通入流速为80sccm—100sccm的氩气/氢气，排出管中空气后；继续通入流速为30sccm—50sccm的氩气/氢气作为载流气体，管内压力稳定在0.1torr—1torr，氩气/氢气中氢气含量0-5％；
步骤六：对管式炉加热，高温加热区温度设置600℃—800℃，升温时长30min—50min，恒温时间30min—60min；低温加热区温度设置180℃—300℃，升温时长3min—15min，温度稳定后保持至高温区加热结束时一并停止；
步骤七：加热结束后，继续通入流速为80sccm—100sccm的氩气/氢气，氢气含量0-5％，待管式炉自然冷却至室温。
2.如权利要求1所述Fe掺杂单层MoS2化学气相沉积制备方法，其特征在于：所述Fe的化合物为FeS、FeS2、FeSO4、Fe2(SO4)3、FeO、Fe2O3、Fe3O4、Fe(OH)3、FeO(OH)、FeCl2、FeCl3和/或Fe(ClO4)3。
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