CN111254491A - 一种高质量二维原子层薄膜的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高质量二维原子层薄膜的制备方法，将经过预处理的蓝宝石基片置于反应器内，通入二维原子层薄膜生长所需对应的原料蒸汽，在蓝宝石基片表面得到二维原子层薄膜；在上述产物表面上附着有机胶体，以一定角度浸入如去离子水中，使二维原子层薄膜与蓝宝石基片分离得到有机胶体/二维原子层薄膜结合体；再用目标基片将上述步骤产物取出，烘干，得到有机胶体/二维原子层薄膜/目标基片结合体；最后，用有机溶剂除去有机胶体，取出，自然干燥，得到位于目标基片上的二维原子层薄膜。本方法操作步骤简单，所得产品面积大，晶体质量高，原料成本低，主要用于半导体、太阳能电池、液晶平板显示等领域。

Description

一种高质量二维原子层薄膜的制备方法
技术领域
本发明涉及一种原子层薄膜的制备方法，特别是涉及一种高质量二维原子层薄膜的制备方法。
背景技术
英国曼彻斯特大学物理学家Geim、Novoselov 2004年发现、2010年获诺贝尔物理学奖的石墨烯，是第一个严格意义上的二维晶体材料。石墨烯超高的载流子迁移率使其在射频和高速电子器件方面展现出巨大的应用前景；然而，石墨烯的禁带宽度为零，难以满足逻辑器件对高开关比的要求。二维层状过渡金属二硫属化合物MX2体系（M=Mo，W，Pt等过渡金属；X=S，Se，Te等硫族元素），因其具有与石墨烯类似的二维层状晶体结构尤其是丰富的能带结构（涵盖半导体、半金属、金属、超导），展现出丰富的力学，电学，光学，热学和化学性质，从而成为新型二维晶体的研究前沿与热点。
实现其诸多优异性质应用的前提是实现这些材料的大面积、高质量制备。考虑到材料晶体质量、缺陷等因素，单晶薄膜形式的二维晶体材料在电子器件、光电子器件等领域受到了越来越广泛的关注。当前这些二维原子层薄膜主要采用化学气相沉积法，在二氧化硅、蓝宝石基片上实现二维薄膜的生长。二维原子层薄膜生长基片的选择对二维原子层薄膜晶体质量的影响非常显著。瑞士洛桑理工的研究者发现，当采用二氧化硅作为生长基片时，由于非晶相的二氧化硅难以与化学气相沉积的二维原子层薄膜发生有序的作用力，使所获得的二维原子层薄膜无序的沉积在二氧化硅基片上。相对而言，当采用蓝宝石基片作为生长基片时，由于蓝宝石基片六方晶型的结构，与二维原子层薄膜具有类似的晶格结构，从而诱导使得沉积的二维原子层薄膜沿着基片蓝宝石的晶格择优取向排列，实现了在蓝宝石基片上的外延生长。进一步研究发现，这种外延生长的二维原子层薄膜，如二硫化钼薄膜，其性能远高于生长在无序的二氧化硅基片上的二硫化钼薄膜。因此目前业界倾向于在蓝宝石基片上制备二维原子层薄膜。
然而随着进一步的研究发现，受蓝宝石基片表面氧端面的影响，在蓝宝石上生长的二维原子层薄膜往往难以剥离转移下来，大大的限制了二维原子层薄膜的应用领域。为了克服这一难点，当前各国学者提出了诸多方法，主要有如下两种：1）采用热碱（如2mol/L浓度的KOH，80度）刻蚀蓝宝石基片；2）采用氢氟酸、BOE（氢氟酸与氨水组成的缓冲液）刻蚀二维原子层薄膜与蓝宝石基片之间的化学键。这种强酸或强碱的条件，使二维原子层薄膜一定程度上被刻蚀、污染，严重影响了二维原子层薄膜的性能。除此之外，被强酸或强碱处理后的蓝宝石基片表面已被刻蚀，变得粗糙，难以循环使用。
发明内容
本发明的目的在于克服上述缺点，提供一种操作简单，易于控制，成本低，所得产品面积大、质量高的二维原子层薄膜的制备方法。
本发明高质量二维原子层薄膜的制备方法其步骤如下：
1）将经过预处理的蓝宝石基片置于反应器内，通入二维原子层薄膜生长对应的生长原料蒸汽，在蓝宝石基片表面得到二维原子层薄膜；
2）在上述产物上附着有机胶体，得到有机胶体/二维原子层薄膜/蓝宝石基片结合体；
3）将步骤2）所得产物浸入去离子水，使二维原子层薄膜与蓝宝石基片之间分离，得到有机胶体/二维原子层薄膜结合体；
4）用基片将步骤3）产物从去离子水中取出，于80~180oC温度下烘1~2分钟，得到有机胶体/二维原子层薄膜/基片结合体；
5）将步骤4）所得产物放入去胶溶剂丙酮、氯仿、氮，氮二甲基甲酰胺，氮甲基吡咯烷酮中的一种或一种以上，除去有机胶体，取出，自然干燥，得附着于基片上的高质量二维原子层薄膜。
本发明高质量二维原子层薄膜的制备方法的优点在于操作简单，易控制，成本低。由于将蓝宝石基片置于氢气气氛中热处理，使得蓝宝石基片表面的端面氧原子全部被氢原子钝化，避免了这些端面氧原子与二维原子层薄膜中的金属原子形成化学键，使二维原子薄膜与蓝宝石基片之间仅存在非常弱的范德瓦尔斯力。这种范德瓦尔斯力能够在极短的时间内因水分子插层而被去除，实现二维原子层薄膜与蓝宝石基片的分离，完成对二维原子薄膜的大面积转移，如附图1为普通生长方法，附图2为本发明方法。本发明的另外一个优点是，由于没有经过强酸、强碱的处理，剥离转移后的蓝宝石基片可以循环应用于二维原子层薄膜的生长，实现了成本的再降低。本发明方法所得产品面积大、质量高、易转移，大大拓宽了二维原子层薄膜的使用领域，可广泛用于半导体、太阳能电池、液晶平板显示等领域。
附图说明
图1. 常用方法制备的二维原子层薄膜结构；
图2. 采用本发明专利制备的二维原子层薄膜结构。
具体实施方式
实施例1：本发明高质量二维二硫化钼薄膜的制备方法其步骤如下：
1）将经过100帕斯卡氢气氛围中于800度热处理1小时后的蓝宝石基片置于反应器内，通入二维二硫化钼薄膜生长对应的生长原料蒸汽氧化钼蒸汽和硫蒸汽，在蓝宝石基片表面得到二维二硫化钼薄膜；
2）在二维二硫化钼薄膜上悬涂聚甲基丙烯酸甲酯，得到聚甲基丙烯酸甲酯/二维二硫化钼薄膜/蓝宝石基片结合体；
3）将步骤2）所得产物以45度，1毫米每秒的速度浸入去离子水，使二维二硫化钼薄膜与蓝宝石基片之间分离，得到聚甲基丙烯酸甲酯/二维二硫化钼薄膜结合体；
4）用二氧化硅/硅基片将步骤3）产物从去离子水中取出，于180oC温度下烘2分钟，得到聚甲基丙烯酸甲酯/二维二硫化钼薄膜/二氧化硅/硅基片结合体；
5）将步骤4）所得产物放入去胶溶剂丙酮除去聚甲基丙烯酸甲酯，取出，自然干燥，得附着于二氧化硅/硅基片上的高质量二维二硫化钼薄膜。
实施例2：本发明高质量二维二硒化铂薄膜的制备方法其步骤如下：
1）将经过1个大气压氢气氛围中于500度热处理2小时后的蓝宝石基片置于反应器内，通入二维二硒化铂薄膜生长对应的生长原料蒸汽氯化铂蒸汽和硒蒸汽，在蓝宝石基片表面得到二维二硒化铂薄膜；
2）在二维二硒化铂薄膜上悬涂光刻胶，得到光刻胶/二维二硒化铂薄膜/蓝宝石基片结合体；
3）将步骤2）所得产物以15度，0.5毫米每秒的速度浸入去离子水，使二维二硒化铂薄膜与蓝宝石基片之间分离，得到光刻胶/二维二硒化铂薄膜结合体；
4）用二氧化硅/硅基片将步骤3）产物从去离子水中取出，于180oC温度下烘2分钟，得到光刻胶/二维二硒化铂薄膜/二氧化硅/硅基片结合体；
5）将步骤4）所得产物放入去胶溶剂丙酮除去光刻胶，取出，自然干燥，得附着于二氧化硅/硅基片上的高质量二维二硒化铂薄膜。
实施例3：本发明高质量二维二硒化钨薄膜的制备方法其步骤如下：
1）将经过5000帕斯卡氢气氛围中于700度热处理3小时后的蓝宝石基片置于反应器内，通入二维二硒化钨薄膜生长对应的生长原料蒸汽氯化钨蒸汽和硒蒸汽，在蓝宝石基片表面得到二维二硒化钨薄膜；
2）在二维二硒化钨薄膜上悬涂聚酰亚胺，得到聚酰亚胺/二维二硒化钨薄膜/蓝宝石基片结合体；
3）将步骤2）所得产物以60度，10毫米每秒的速度浸入去离子水，使二维二硒化钨薄膜与蓝宝石基片之间分离，得到聚酰亚胺/二维二硒化钨薄膜结合体；
4）用柔性塑料基片将步骤3）产物从去离子水中取出，于80oC温度下烘2分钟，得到聚酰亚胺/二维二硒化钨薄膜/柔性塑料基片结合体；
5）将步骤4）所得产物放入去胶溶剂氮，氮二甲基甲酰胺除去聚酰亚胺，取出，自然干燥，得附着于柔性塑料基片上的高质量二维二硒化钨薄膜。
实施例4：本发明高质量二维二硫化钼薄膜的制备方法其步骤如下：
1）将准备再次使用的蓝宝石基片在0.2个大气压氢气氛围中于600度热处理5小时后的蓝宝石基片置于反应器内，通入二维二硫化钼薄膜生长对应的生长原料蒸汽氧化钼蒸汽和硫蒸汽，在蓝宝石基片表面得到二维二硫化钼薄膜；
2）在二维二硫化钼薄膜上悬涂聚甲基丙烯酸甲酯，得到聚甲基丙烯酸甲酯/二维二硫化钼薄膜/蓝宝石基片结合体；
3）将步骤2）所得产物以90度，0.1毫米每秒的速度浸入去离子水，使二维二硫化钼薄膜与蓝宝石基片之间分离，得到聚甲基丙烯酸甲酯/二维二硫化钼薄膜结合体；
4）用二氧化硅/硅基片将步骤3）产物从去离子水中取出，于150oC温度下烘2分钟，得到聚甲基丙烯酸甲酯/二维二硫化钼薄膜/二氧化硅/硅基片结合体；
将步骤4）所得产物放入去胶溶剂丙酮除去聚甲基丙烯酸甲酯，取出，自然干燥，得附着于二氧化硅/硅基片上的高质量二维二硫化钼薄膜。

Claims (8)

1.一种高质量二维原子层薄膜的制备方法，其特征在于步骤如下：
1） 将经过预处理的蓝宝石基片置于反应器内，通入二维原子层薄膜生长对应的生长原料蒸汽，在蓝宝石基片表面得到二维原子层薄膜；
2） 在上述产物上附着有机胶体，得到有机胶体/二维原子层薄膜/蓝宝石基片结合体；
3） 将步骤2）所得产物浸入去离子水，使二维原子层薄膜与蓝宝石基片之间分离，得到有机胶体/二维原子层薄膜结合体；
4） 用基片将步骤3）产物从去离子水中取出，于80~180oC温度下烘1~2分钟，得到有机胶体/二维原子层薄膜/基片结合体；
5） 将步骤4）所得产物放入去胶溶剂丙酮、氯仿、氮，氮二甲基甲酰胺，氮甲基吡咯烷酮中的一种或一种以上，除去有机胶体，取出，自然干燥，得附着于基片上的高质量二维原子层薄膜。
2.如权利要求1所述的高质量二维原子层薄膜的制备方法，其特征在于对蓝宝石基片的预处理是将蓝宝石基片置于氢气气氛中热处理1-5小时，其中氢气的压强在100帕斯卡~1个大气压，氢气的流量在20~500 sccm，热处理的温度为500-1000oC。
3.如权利要求1所述的高质量二维原子层薄膜的制备方法，其特征在于蓝宝石基片的大小由所需制备的二维原子层薄膜的大小决定，蓝宝石基片的大小可以在1~4英寸范围，根据需要选择。
4.如权利要求1所述的高质量二维原子层薄膜的制备方法，其特征在于所生长的二维原子层薄膜符合MX2化学式，其中M可以为钼、钨、铂、钯金属中的一种，X可以为硫、硒、碲中的一种。
5.如权利要求1所述的高质量二维原子层薄膜的制备方法，其特征在于二维原子层薄膜生长所需对应原料的蒸汽是通过加热对应金属的氧化物或氯化物得到，如氧化钼、氧化钨、氯化钼、氯化钨、氯化铂、氯化钯中的一种。
6.如权利要求1所述的高质量二维原子层薄膜的制备方法，其特征在于有机胶体是光刻胶、聚酰亚胺、环氧树脂、聚甲基丙烯酸甲酯中的一种。
7.如权利要求1所述的高质量二维原子层薄膜的制备方法，其特征在于有机胶体/二维原子层薄膜/蓝宝石基片结合体以与去离子水平面呈5~90度的角度，以0.1~10毫米每秒的速度浸入去离子水中。
8.如权利要求1所述的高质量二维原子层薄膜的制备方法，其特征在于基片是透明塑料片、玻璃片、打印纸、硅片、二氧化硅片中的一种。
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Granted publication date: 20210810