CN109023296B - 一种在氟金云母衬底上化学气相沉积生长钼钨硒合金的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在氟金云母衬底上化学气相沉积生长钼钨硒合金的方法，其特点是采用氟金云母衬底，以三氧化钼粉末与三氧化钨粉末混合物及硒粉为前驱体，利用化学气相沉积生长得到钼钨硒合金，其沉积生长包括：衬底清洗、前驱体的设置和气相沉积生长钼钨硒合金步骤。本发明与现有技术相比具有制备方法简单，结晶率高，可控性强等特点，得到的钼钨硒合金可应用于带隙调节工程、析氢反应，有望于提高器件开关比，提高太阳能电池的性能。

Description

一种在氟金云母衬底上化学气相沉积生长钼钨硒合金的方法

技术领域

本发明涉及柔性衬底上气相沉积合金技术领域，尤其是一种在氟金云母衬底上化学气相沉积生长钼钨硒（Mo_1-xW_xSe₂）合金的方法。

背景技术

二维材料由于其独特的物理特性一直是近年来的研究热点，大多数过渡金属硫属化物由块状到单层时，由间接带隙转变为直接带隙半导体，这在电子和光电器件中具有巨大的应用潜力。具有各种光学和电学特性的二维材料的出现和发展为基于原子级薄层的电子和光电器件制造开辟了新的途径，对于纳米电子学和光伏器件，实现具有连续可调带隙的半导体纳米结构是至关重要的，合金化是实现这一目标的有效方法，例如，通过改变组分的化学计量，可以逐渐改变低维三元半导体的带隙和发光。钼钨硒（Mo_1-xW_xSe₂）合金由于可调带隙和氢气产生的高催化活性而广受关注，此外，其优异的接触和缺陷性能在光伏应用中产生巨大潜力。钼钨硒（Mo_1-xW_xSe₂）与2H单层的二硒化钼和二硒化钨相比，钼钨硒（Mo_{1- x}W_xSe₂）合金的可见光吸收和载流子迁移率显著改善。

化学气相沉积是一种制备材料的气相生长方法，它是把一种或几种含有构成薄膜元素的化合物、单质气体通入放置有基材的反应室，借助空间气相化学反应在基体表面上沉积固态薄膜的工艺技术。化学气相沉积制备薄膜的过程主要有：（1）反应气体由载气带入基片表面扩散；（2）反应气体吸附于基片表面；（3）在基片表面发生化学反应；（4）在基片表面产生的气相副产物脱离表面扩散掉，基片表面留下不挥发的固体反应产物—薄膜。在现今的多种制备二位材料的方法中，化学气相沉积法是目前使用最广的一种方法，此方法制备得到的薄膜结晶性好、质量高，大面积可控生长，厚度均一。

目前，钼钨硒（Mo_1-xWxSe₂）的气相沉积，一般都采用二氧化硅、蓝宝石等衬底，此类衬底无法直接应用于柔性器件及弯曲应力工程的研究，虽说在此类衬底上生长的样品可转移至柔性衬底上做相应的柔性器件及弯曲用力研究，但是在转移过程中样品容易污染和破坏。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种在氟金云母衬底上化学气相沉积生长钼钨硒合金的方法，采用氟金云母为衬底，以三氧化钼粉末、三氧化钨粉末和硒粉为前驱体，利用化学气相沉积生长得到钼钨硒（Mo_1-xW_xSe₂）合金，制备所得材料显示为一个n型传输，有望于提高硅基太阳能电池的性能，其光吸收和载流子迁移率显著提高，提高了器件开关比，不同比例的钼钨硒（Mo_1-xW_xSe₂）合金可应用于带隙调控工程、析氢反应和弯曲用力工程等，且与二氧化硅，蓝宝石等常规衬底相比，在氟金云母上生长的产品可直接用于弯曲应力的研究，较好的避免了转移过程中的污染和产品破损，制备工艺简，结晶率高，可控性强，通过改变反应时间、蒸发温度、气流量、源间距离以及源材料质量等条件来控制钼钨硒（Mo_1-xW_xSe₂）合金的厚度、大小和形貌等，使用夹片法生长样品，在对扣衬底间放置硅渣供前驱体有一定的空间反应，加强了样品在衬底上的洁净度。

实现本发明目的的具体技术方案是：一种在氟金云母衬底上化学气相沉积生长钼钨硒合金的方法，其特点是采用氟金云母衬底，以三氧化钼粉末和三氧化钨粉末混合物及硒粉为前驱体，利用化学气相沉积生长得到钼钨硒（Mo_1-xW_xSe₂）合金，其方法包括以下步骤：

a）衬底材料的清洗

将氟金云母衬底依次放入装有丙酮、异丙醇和去离子水的容器中，各超声清洗20min，最后用氮气将衬底吹干，所述丙酮和异丙醇为分析纯。

b）前驱体的设置

采用三氧化钼粉末和三氧化钨粉末混合物为前驱体，将三氧化钼粉末与三氧化钨粉末按1：3质量比混合后放置于设有硅渣的两片对扣衬底间，并将其放置在石英片上，硒粉放置在石英舟中；所述三氧化钼粉末、三氧化钨粉末和硒粉的纯度为99.5%。

c）气相沉积

将上述设置前驱体和硅渣的氟金云母衬底连同石英片放置在管式炉的反应室中心，装有硒粉的石英舟放置于反应室中心与进气口之间，然后由进气口向反应室充入流量为80～200sccm的惰性气体进行10～30min空气置换和清洗。

d）气相沉积生长

以10～30℃/min升温速率将管式炉加热到800～950℃，然后通入流量为80～100sccm的惰性气体为载气进行气相沉积生长，其生长保温10～30分钟后自然降至室温，取出衬底得产物为层状结构的钼钨硒（Mo_1-xW_xSe₂）合金。

本发明与现有技术相比具有制备方法简单，结晶率高，可控性强等特点，得到的钼钨硒（Mo_1-xW_xSe₂）合金可应用于带隙调节工程、析氢反应，有望于提高器件开关比，提高太阳能电池的性能。

附图说明

图1为实施例1化学气相沉积生长示意图；

图2为实施例1所制备的钼钨硒合金光学图；

图3为实施例1所制备的钼钨硒合X射线光谱图；

图4为实施例1所制备的钼钨硒合金光致发光图；

图5为实施例1所制备的钼钨硒合金电镜图。

具体实施方式

以下通过具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

a）衬底

参阅附图1，采用管式炉1进行化学气相沉积生长，选用氟金云母作为衬底2，其边为2×1厘米的长方形，

将衬底2置于浓度为99.5%的丙酮溶液中，超声清洗30分钟后置于浓度为99.5%的异丙醇溶液中，超声清洗30分钟后再置于去离子水中，超声清洗30分钟后将其取出并用氮气吹干。

b）前驱体的配置

分别称取400毫克纯度为99.99%的硒粉、1毫克纯度为 99.9%的三氧化钼粉末和3毫克纯度为99.5%的三氧化钨粉末，将称取的硒粉7放置在石英舟6中，将称取的三氧化钼粉末与三氧化钨粉末混合为前驱体4，然后称量0.05毫克前驱体4放置于两衬底2的夹片间，并在衬底2间放入一粒硅渣5，并将衬底2放置在石英片3上。

c）生长前的准备

参阅附图1，将b步骤的石英片3置于管式炉1的反应室中心，将装有硒粉7的石英舟6置于距管式炉1进气口不远处，然后由进气口向炉内充入200sccm的氩气并维持30分钟。

d）气相沉积生长

管式炉1的升温过程为：25～100℃温度区间内以15℃/min分钟的速度升温，并在100℃处保温10分钟；100～900℃温度区间内以20℃/min速度升温，并在900℃处保温20分钟，整个生长过程中保持通入100sccm的氩气为载气进行气相沉积生长，然后自然降至室温，取出衬底2得到层状结构的产物为钼钨硒（Mo_1-xW_xSe₂）合金。

参阅附图2，上述产物经光学显微镜显示，钼钨硒（Mo_1-xW_xSe₂）合金为层状结构，且形状不一。

参阅附图3，上述产物经能量色散X射线光谱仪进行元素表征，所得材料含有钼、钨、硒三种元素，其比例为钼：钨：硒=0.84：0.16：2。

参阅附图4，上述产物经光致发光表征，并与纯净的二硒化钼和二硒化钨单质的光致发光图进行了对比，所得到的钼钨硒（Mo_1-xW_xSe₂）合金的带隙在纯净的二硒化钼、二硒化钨两种单质的带隙之间，符合文献报道。

参阅附图5，上述产物经高分辨率透射电镜显示，可以清晰的看到钼钨硒（Mo_{1- x}W_xSe₂）合金呈六边形晶格的结构。

以上各实施例只是对本发明做进一步说明，并非用以限制本发明专利，凡为本发明等效实施，均应包含于本发明专利的权利要求范围之内。

Claims (1)

1.一种在氟金云母衬底上化学气相沉积生长钼钨硒合金的方法，其特征在于采用氟金云母衬底，以三氧化钼粉末和三氧化钨粉末混合物及硒粉为前驱体，利用化学气相沉积生长得到钼钨硒合金，其方法包括以下步骤：

a）衬底材料的清洗

将氟金云母衬底依次放入装有丙酮、异丙醇和去离子水的容器中，各超声清洗20min，最后用氮气将衬底吹干，所述丙酮和异丙醇为分析纯；

b）前驱体的设置

采用三氧化钼粉末和三氧化钨粉末混合物为前驱体，将三氧化钼粉末与三氧化钨粉末按1：3质量比混合后放置于设有硅渣的两片对扣衬底间，并将其放置在石英片上，硒粉放置在石英舟中；所述三氧化钼粉末、三氧化钨粉末和硒粉的纯度为99.5%；

c）气相沉积

将上述设置前驱体和硅渣的氟金云母衬底连同石英片放置在管式炉的反应室中心，装有硒粉的石英舟放置于反应室中心与进气口之间，然后由进气口向反应室充入流量为80～200sccm的惰性气体进行10～30min空气置换和清洗；

d）气相沉积生长

以10～30℃/min升温速率将管式炉加热到800～950℃，然后通入流量为80～100sccm的惰性气体为载气进行气相沉积生长，其生长保温10～30分钟后自然降至室温，取出衬底得产物为层状结构的钼钨硒合金。

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