CN109023251A - 一种层数可控的稀土铒掺杂二硫化钨薄膜材料制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种稀土铒掺杂二维层状二硫化钨薄膜材料的制备方法，包括以下步骤：首先清洗衬底，通过磁控溅射高纯金属靶材制备铒钨的合金薄膜；接着将硫粉置于一温区，沉积有合金薄膜放置于二温区，将真空管式炉炉内抽真空，向真空管式炉通载气进行清洗；然后继续通气，一温区加热到120~200 ^oC，二温区加热到700~900 ^oC，生长十分钟以上；最后将一温区和二温区温度降至室温，得到铒掺杂二维层状二硫化钨薄膜。本发明调节溅射功率和时间，可以得到不同厚度、形貌和掺杂浓度的二维薄膜。本发明可以制得晶圆级、形貌均匀的二维晶体薄膜，光电性能优良，可以用于制备原子级超薄的光电子器件，用于发光器件、光电探测器等领域。

Description

一种层数可控的稀土铒掺杂二硫化钨薄膜材料制备方法

技术领域

本发明涉及磁控溅射和化学气相沉积制备技术领域，具体涉及一种层数可控的稀土铒掺杂二硫化钨薄膜材料制备方法。

背景技术

二维层状材料材料有助于人们实现原子级超薄电子和光电子器件，引起人们极大的兴趣。特别是二维半导体材料二硫化钨凭借优异的光电性能被深入研究。二维层状二硫化钨是由面内共价键结合，层之间依靠微弱范德瓦尔斯力堆积在一起，具有许多新奇的物理特性。从单层到多层的发光特性研究对构筑应用于通信、探测的原子级超薄光电子器件意义重大。然而，目前二维二硫化钨的发光受限于可见和近红外光边缘，限制其广泛应用。同时其制备以机械剥离和化学气相沉积为主，难以实现可控制备。如果能实现超薄二维材料在红外通讯波段发光，有潜力制备应用于通讯的超薄光电子器件。

稀土离子铒内层的4f电子轨道具有丰富的能级，能够实现近红外和中红外区域的光子发射和吸收，具有高量子产率、长荧光寿命、窄带宽和高稳定性等优点。之前二硫化钨的掺杂研究集中于过渡族金属离子，只能轻微调制发射波长。通过将稀土铒离子引入二硫化钨，可以实现近红外区域的上转换和下转移光子发射，有潜力应用于超薄的光电子和光通讯器件。通过磁控溅射加化学气相沉积法制备，可以实现层数和尺寸可控的制备。

发明内容

本发明的目的是提供一种层数可控的铒掺杂二硫化钨薄膜材料制备方法，通过选择衬底和掩膜版，控制磁控溅射功率及生长时间，实现厚度和尺寸可控的铒掺杂二硫化钨薄膜的制备。

本发明所采用的技术方案是，

一种稀土铒掺杂二维层状二硫化钨薄膜材料W_1-xEr_xS₂，x的取值范围：0＜x≤0.05，采用WS₂为基质，稀土Er为红外发光激活剂，Er替代W，所制备的材料可以实现光纤通信窗口C波段的发光。

一种铒掺杂二维层状二硫化钨薄膜材料W_1-xEr_xS₂的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，依次用丙酮、乙醇、去离子水清洗衬底并干燥；

步骤2，将衬底置于多靶磁控溅射腔体里，安装上高纯的铒和钨金属靶材，抽真空，并加热衬底至100~500 ^oC；

步骤3，磁控溅射腔体充入氩气至0.5~1.5 Pa，调节钨靶功率至50~150 W，铒靶功率至1~5 W，溅射5~60 s，制的铒钨合金薄膜；

步骤4，取出铒钨合金薄膜置于双温区管式炉的二温区，接着将足量硫粉置于一温区，抽真空，向真空管式炉通载气到大气压；

步骤5，然后继续通气调节载气流量，一温区加热到120~200 ^oC，二温区加热到700~900^oC，保持10~60 min；

步骤6，最后将一温区和二温区温度降至室温，得到铒掺杂二维层状二硫化钨薄膜。

本发明的特点还在于：

步骤1中衬底为蓝宝石，石英、碳化硅或硅；

步骤2中金属靶材纯度应高于99.8 %，最好达到99.99 %，铒可以是其他稀土金属如钕、铥、钬等，二硫化钨基质也可以为其他过渡族二硫属化合物，如二硫化钼、二硒化钼等；

步骤3中调节溅射功率和时间，可以得到不同厚度、形貌和掺杂浓度的二维薄膜；

步骤4中足量硫粉通常大于500 mg，载气为高纯氩气、氮气或氩\氢气混合气体，通入载气的流速为100~600 ccm;

步骤5中调整载气流速至10~100 ccm，升温速率为10~50 ^oC/min。

本发明提供了一种稀土铒离子掺杂二硫化钨二维薄膜的可控制备方法。通过衬底及掩膜版选择，控制磁控溅射功率及生长时间。然后通过化学气相沉积法硫化，实现厚度和尺寸可控的铒掺杂二硫化钨薄膜的制备。所制备铒掺杂二硫化钨薄膜在980纳米单一波长激发下，具有1540纳米处的近红外下转移光子发射和810纳米处的上转换光子发射，有潜力应用于超薄光电子和通讯技术。本发明为发展超薄的光电子材料提供了必要的技术和实验支撑。

附图说明

图1为本发明实施例1所得样品近红外通讯C波段发射光谱；

图2为本发明实施例1所得样品的拉曼光谱图。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步阐述本发明，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。

实施例1：

第一步，选择1平方厘米的氧化硅/硅衬底，依次用丙酮、乙醇、去离子水清洗并干燥；

第二步，将衬底置于多靶磁控溅射腔体里，安装上高纯的铒和钨金属靶材，抽真空，并加热衬底至100 ^oC；

第三步，磁控溅射腔体充入氩气至1.2 Pa，调节钨靶功率至100 W，铒靶功率至5 W，溅射10 s，制的约1纳米连续的铒钨合金薄膜；

第四步，取出铒钨合金薄膜置于双温区管式炉的二温区，接着将500毫克硫粉置于一温区，抽真空，向真空管式炉通载气到大气压；

第五步，然后继续通气调节载气流量，一温区加热到150 ^oC，二温区加热到750 ^oC，保持10 min；

第六步，最后将一温区和二温区温度降至室温，得到铒掺杂二维层状二硫化钨薄膜，掺杂浓度约2 %，一平方厘米连续的双层多晶薄膜。层数可以通过断面透射电镜确定。在980纳米激光激发下，可以得到铒掺杂薄膜近红外光通讯C波段的发射光谱，如图1。图2为所制备铒掺杂二硫化钨薄膜的拉曼光谱。

实施例2：

第一步，选择2平方厘米的蓝宝石衬底，依次用丙酮、乙醇、去离子水清洗并干燥；

第二步，将衬底置于多靶磁控溅射腔体里，安装上高纯的铒和钨金属靶材，抽真空，并加热衬底至150 ^oC；

第三步，磁控溅射腔体充入氩气至1.2 Pa，调节钨靶功率至100 W，铒靶功率至2 W，溅射25 s，制的约2.5纳米连续的铒钨合金薄膜；

第四步，取出铒钨合金薄膜置于双温区管式炉的二温区，接着将500毫克硫粉置于一温区，抽真空，向真空管式炉通载气到大气压；

第五步，然后继续通气调节载气流量，一温区加热到150 ^oC，二温区加热到800 ^oC，保持20 min；

第六步，最后将一温区和二温区温度降至室温，得到铒掺杂二维层状二硫化钨薄膜，2平方厘米连续的多层薄膜，层数可以通过断面透射电镜或原子力显微镜确定。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种稀土铒掺杂二维层状二硫化钨薄膜材料W_1-xEr_xS₂，x的取值范围：0＜x≤0.05，其特征在于：采用WS₂为基质，稀土Er为红外发光激活剂，Er替代W，所制备的材料可以实现光纤通信窗口C波段的发光。

2.一种稀土铒掺杂二维层状二硫化钨薄膜材料W_1-xEr_xS₂的制备方法，其特征在于包括步骤：

(1)依次用丙酮、乙醇、去离子水清洗衬底并干燥；

(2)将衬底置于多靶磁控溅射腔体里，安装上高纯的铒和钨金属靶材，抽真空，并加热衬底至100~500 ^oC；

(3)磁控溅射腔体充入氩气至0.5~1.5 Pa，调节钨靶功率至50~150 W，铒靶功率至1~5W，溅射5~60 s，制得铒钨合金薄膜；

(4)取出铒钨合金薄膜置于双温区管式炉的二温区，接着将足量硫粉置于一温区，抽真空，向真空管式炉通载气到大气压；

(5) 然后继续通气调节载气流量，一温区加热到120~200 ^oC，二温区加热到700~900^oC，保持10~60 min；

(6) 最后将一温区和二温区温度降至室温，得到铒掺杂二维层状二硫化钨薄膜。

3.根据权利要求2所述的一种铒掺杂二维层状二硫化钨薄膜材料W_1-xEr_xS₂的制备方法，其特征在于步骤(1)中衬底为蓝宝石，石英、碳化硅或硅。

4.根据权利要求2所述的一种铒掺杂二维层状二硫化钨薄膜材料W_1-xEr_xS₂的制备方法，其特征在于步骤(2)中金属靶材纯度应高于99.8 %，最好达到99.99 %，铒可以用其他稀土金属代替，如钕、铥、钬等，二硫化钨基质也可以用其他过渡族二硫属化合物代替，如二硫化钼、二硒化钼等。

5.根据权利要求2所述的一种铒掺杂二维层状二硫化钨薄膜材料W_1-xEr_xS₂的制备方法，其特征在于步骤(3)中调节溅射功率和时间，得到不同厚度、形貌和掺杂浓度的二维薄膜。

6.根据权利要求2所述的一种铒掺杂二维层状二硫化钨薄膜材料W_1-xEr_xS₂的制备方法，其特征在于步骤(4)中足量硫粉大于500 mg，载气为高纯氩气、氮气或氩氢气混合气体，通入载气的流速为100~600 ccm。

7.根据权利要求2所述的一种铒掺杂二维层状二硫化钨薄膜材料W_1-xEr_xS₂的制备方法，其特征在于步骤(5)中调整载气流速至10~100 ccm。

8.根据权利要求2所述的一种铒掺杂二维层状二硫化钨薄膜材料W_1-xEr_xS₂的制备方法，其特征在于步骤(5)中升温速率为10~50 ^oC/min。