CN111472049B - 一种层数可控的二硫化钨单晶的制备方法 - Google Patents

一种层数可控的二硫化钨单晶的制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111472049B
CN111472049B CN202010506839.8A CN202010506839A CN111472049B CN 111472049 B CN111472049 B CN 111472049B CN 202010506839 A CN202010506839 A CN 202010506839A CN 111472049 B CN111472049 B CN 111472049B
Authority
CN
China
Prior art keywords
single crystal
layer
substrate
thickness
hydrogen sulfide
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010506839.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111472049A (zh
Inventor
张礼杰
潘宝俊
罗婷燕
邹超
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Wenzhou University
Original Assignee
Wenzhou University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Wenzhou University filed Critical Wenzhou University
Priority to CN202010506839.8A priority Critical patent/CN111472049B/zh
Publication of CN111472049A publication Critical patent/CN111472049A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111472049B publication Critical patent/CN111472049B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/46Sulfur-, selenium- or tellurium-containing compounds
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B25/00Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/12Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
    • H01L29/24Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, only semiconductor materials not provided for in groups H01L29/16, H01L29/18, H01L29/20, H01L29/22

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Chemical Vapour Deposition (AREA)

Abstract

本发明公开了一种层数可控的二硫化钨单晶的制备方法,使用硫化氢作为硫源,并预先将前驱体WO3微图案化以达到精准调控前驱体的量,实现了对单层、双层、三层及多层WS2单晶的可控制备。本发明方法所需原料少、产率高、重复性好、得到的晶体质量高、电子迁移率高,尤其适用于大面积均匀分布的层数可控的WS2单晶的制备。

Description

一种层数可控的二硫化钨单晶的制备方法
技术领域
本发明属于材料的化学气相沉积法制备领域,具体涉及二维过渡金属硫族化合物的化学气相沉积法制备。
背景技术
自从英国曼切斯特大学Andre Geim等人机械剥离石墨烯后,人们陆续发现了氮化硼(BN)、黑鳞(BP)、过渡金属硫族化合物(TMDs)、过渡金属碳/氮化合物(MXenes)等二维材料,其中,过渡金属硫族化合物(TMDs)的化学式为MX2,M是指过渡金属元素(tansitionmetal element),X是指硫族元素(chalcogens)。单层TMDs是由两层硫族原子夹着一层过渡金属原子组成的“三明治”结构。TMDs层内是以化学共价键结合,层间是以弱的范德华力作用,所以用机械剥离能剥离出单层TMDs。随着对TMDs的深入研究,人们发现TMDs有特定的能带间隙,大部分TMDs材料的能带间隙随厚度而变化,从体材料的间接带隙转变为单层的直接带隙,具有较宽的电磁波谱响应范围,适合应用于光电探测器。另外,TMDs电子迁移率高、电流开关比(on/off)大,适合应用于高灵敏、低功耗场效应晶体管。
其中二硫化钨(WS2)是TMDs的重要一员,具有较强的光-物质作用、约2.1eV的能带间隙、量子效率达到6%,因而在光电子器件领域有潜在的应用前景。另外,二维WS2反演对称性的破缺导致其具有强的自旋轨道耦合效应,可作为谷电子学和自旋电子学的重要研究材料。WS2的电子有效质量小,电子迁移率高,单层WS2室温理论电子迁移率可达1103cm2V-1s-1。双层、三层WS2较单层WS2更稳定,不容易分解,有较高的电子迁移率和驱动电流。因此,WS2在光电子器件、生物传感器等领域得到人们的青睐。
早期WS2的制备方法有微机械剥离法和液相剥离法,前者只能得到极少量单层WS2,尺寸一般在微米量级,效率很低,但质量较高;后者产量较高,但质量较差,尺寸更小,一般在几百个纳米。由于剥离法一般是以商业化的WS2纳米块体粉末为原料,再通过超声波降解或化学物质嵌入/吸附解离等近似物理的手段来获得WS2纳米片,其始终不能绕过要先合成商业化WS2粉末的缺陷,造成了时间、能源、人力等的二次浪费,同时,剥离法所获得WS2纳米片也存在易团聚、分散性不好、厚度不均、缺陷多、质量不佳等问题,且剥离也会对环境产生噪声污染和化学污染。
近年来,人们普遍认为化学气相沉积方法(CVD)是一种大规模产业化合成TMDs的可行方法。其中,CVD合成二维WS2通常以硫粉和三氧化钨粉为前驱体,不能精确控制反应前驱体的量,导致实验重复性差,不能稳定控制WS2层数的制备,限制了化学气相沉积方法大规模产业化可控合成不同层数WS2的发展。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种层数可控的二硫化钨单晶的制备方法,使用硫化氢作硫源,并预先将WO3微图案化以达到精准调控前驱体的量,实现了对单层、双层、三层及多层WS2单晶的可控制备。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种层数可控的二硫化钨单晶的制备方法,包括以下步骤:
(1)微图案化WO3前驱体的制备:
通过热蒸发和镂空板在衬底上蒸镀厚度为3~54nm的WO3源,得到镀有微图案化的3~54nm厚WO3源的衬底;所述镂空板为与目标微图案对应的镂空板;
(2)化学气相沉积(CVD)制备WS2
(2.1)将所述镀有微图案化的3~54nm厚WO3源的衬底放置在所述管式炉的加热区中心,向所述管式炉中通入惰性气体或循环进行抽真空和通惰性气体,以排尽所述管式炉中空气;
(2.2)向所述管式炉内持续通入6~12sccm氩气,将所述管式炉升温至950~1050℃,再向所述管式炉内通入20~26sccm硫化氢,反应1~3min,然后打开炉盖降温并停止通入硫化氢,得到相应层数的WS2单晶。
在本发明的一些具体实例中,所述衬底为SiO2/Si衬底。
在本发明的一些具体实例中,所述衬底为285nm SiO2/Si。
在本发明的一些具体实例中,所述微图案为均匀分布的任意形状的微图案。
在本发明的一些具体实例中,所述微图案为圆阵列、条形阵列、方形阵列。
在本发明的一些具体实例中,所述微图案为圆形直径为150μm、圆心与圆心间距为450μm的圆阵列。
在本发明的一些具体实例中,步骤(2.2)中将所述管式炉升温至995~1005℃。
在本发明的一些具体实例中,步骤(2.2)中将所述管式炉升温至1000℃。
在本发明的一些具体实例中,步骤(2.2)中所述管式炉升温速率为10~30℃/分钟。
在本发明的一些具体实例中,步骤(2.1)中惰性气体为氩气或氮气。
在本发明的一些具体实例中,所述衬底为SiO2/Si衬底时,步骤(1)中WO3蒸镀厚度为3nm,步骤(2.2)中氩气流量为12sccm、硫化氢流量为20sccm,得到单层WS2单晶。
在本发明的一些具体实例中,所述衬底为SiO2/Si衬底时,步骤(1)中WO3蒸镀厚度为3nm,步骤(2.2)中氩气流量为10sccm、硫化氢流量为22sccm,得到双层WS2单晶。
在本发明的一些具体实例中,所述衬底为SiO2/Si衬底时,步骤(1)中WO3蒸镀厚度为3nm,步骤(2.2)中氩气流量为8sccm、硫化氢流量为24sccm,得到三层WS2单晶。
在本发明的一些具体实例中,所述衬底为SiO2/Si衬底时,步骤(1)中WO3蒸镀厚度为3nm,步骤(2.2)中氩气流量为6sccm、硫化氢流量为26sccm,得到多层WS2单晶。
在本发明的一些具体实例中,当所述衬底为SiO2/Si衬底,步骤(2.2)中氩气流量为12sccm和硫化氢流量为20sccm时,
WO3蒸镀厚度为9nm,得到双层WS2单晶;
WO3蒸镀厚度为27nm,得到三层WS2单晶;
WO3蒸镀厚度为54nm,得到多层WS2单晶。
本发明还提供了由上述制备方法所得WS2单晶制得的场效应晶体管。
与现有技术相比,本发明具有以下有益的技术效果:
本发明方法中,通过在镂空板上蒸镀WO3源,形成镀有微图案化的WO3前驱体,能够精准调控WO3前驱体的量、原料利用率高、制备重复率高。
本发明方法中,通过对前驱体的量的调节以及氩气和硫化氢气体流量的调节,可以分别合成单层、双层、三层及多层WS2单晶。
本发明方法中,通过使用镂空板并形成均匀分布的任意形状的微图案,可以获得均匀分布的WS2单晶,并且WS2单晶的面积不受限制,因此,本发明方法可以合成大面积均匀分布的层数可控的WS2单晶,可广泛应用于电学逻辑器件、光电器件、传感器。
附图说明
图1为本发明微图案化WO3前驱体的规格示意图。
图2为本发明的二硫化钨单晶的制备过程的示意图。
图3(a)给出了实施例1制备所得的WS2样品α的同步光学显微镜图,标尺为10μm。
图3(b)给出了实施例2制备所得的WS2样品β的同步光学显微镜图,标尺为10μm。
图3(c)给出了实施例3制备所得的WS2样品γ的同步光学显微镜图,标尺为10μm。
图3(d)给出了实施例4制备所得的WS2样品δ的同步光学显微镜图,标尺为50μm。
图3(e)给出了实施例5制备所得的WS2样品ε的同步光学显微镜图,标尺为50μm。
图3(f)给出了实施例6制备所得的WS2样品ζ的同步光学显微镜图,标尺为50μm。
图3(g)给出了实施例7制备所得的WS2样品η的同步光学显微镜图,标尺为10μm。
图4(a)、图4(b)、图4(c)分别是单层WS2样品δ、双层WS2样品ε、三层WS2样品ζ的光学显微镜图,标尺为10μm;图4(a)中右上角插图、图4(b)中右上角插图、图4(c)中右上角插图分别是单层WS2样品δ、双层WS2样品ε、三层WS2样品ζ的AFM图。
图5(a)显示了使用532nm激光对在SiO2/Si衬底上的单层WS2样品δ、双层WS2样品ε、三层WS2样品ζ进行拉曼测试对应得到的E1 2g(Γ)和A1g(Γ)峰位。
图5(b)显示了使用488nm激光对在SiO2/Si衬底上的单层WS2样品δ、双层WS2样品ε、三层WS2样品ζ进行拉曼测试对应得到的E1 2g(Γ)和A1g(Γ)峰位。
图6(a)给出了双层WS2样品γ场效应晶体管的Ids-Vg转移曲线。
图6(b)给出了双层WS2样品γ场效应晶体管的Ids-Vds输出曲线。
图6(c)给出了双层WS2样品γ的STEM-HAADF图。
图6(d)给出了图6(c)中框选区域的像素强度剖面图(Pixel intensityprofile)。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的实施方案进行详细描述。应理解,这些实施例仅用于说明本发明,而不应视为限定本发明的范围。
下列实施例中未注明具体技术或条件者,按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者,均为可以通过市场购得的常规产品。
WS2单晶片的制备
实施例1 WS2样品α的制备
(1)微图案化WO3前驱体的制备:
将镂空板(板上镂空图案为圆阵列)置于285nm SiO2/Si衬底(即,表层为285nmSiO2的硅片)上,一并放置于镀膜机中,通过热蒸发在285nm SiO2/Si衬底上蒸镀厚度为3nm的微图案化WO3源(或称为WO3前驱体):在285nm SiO2/Si衬底上,WO3圆阵列的直径为150μm,圆心与圆心间距为450μm,如图1所示。
(2)化学气相沉积(CVD)制备WS2
(2.1)把镀有3nm厚的微图案化WO3源的SiO2/Si衬底放置在管式炉的加热区中心,向管式炉中通入300sccm氩气,持续30min,以排尽在管式炉内的空气;
(2.2)调整氩气流量为6sccm,持续通入,将管式炉温度以25℃/分钟升温至1000℃,再向管式炉内通入26sccm硫化氢,反应90秒,然后掀起炉盖降温并停止通入硫化氢,得到多层WS2样品α。
实施例2 WS2样品β的制备
(1)微图案化WO3前驱体的制备:
将镂空板(板上镂空图案为圆阵列)置于285nm SiO2/Si衬底(即,表层为285nmSiO2的硅片)上,一并放置于镀膜机中,通过热蒸发在285nm SiO2/Si衬底上蒸镀厚度为3nm的微图案化WO3源(或称为WO3前驱体):在285nm SiO2/Si衬底上,WO3圆阵列的直径为150μm,圆心与圆心间距为450μm。
(2)化学气相沉积(CVD)制备WS2
(2.1)把镀有3nm厚的微图案化WO3源的SiO2/Si衬底放置在管式炉的加热区中心,向管式炉中通入300sccm氩气,持续30min,以排尽在管式炉内的空气;
(2.2)调整氩气流量为8sccm,持续通入,将管式炉温度以25℃/分钟升温至1000℃,再向管式炉内通入24sccm硫化氢,反应90秒,然后掀起炉盖降温并停止通入硫化氢,得到三层WS2样品β。
实施例3 WS2样品γ的制备
(1)微图案化WO3前驱体的制备:
将镂空板(板上镂空图案为圆阵列)置于285nm SiO2/Si衬底(即,表层为285nmSiO2的硅片)上,一并放置于镀膜机中,通过热蒸发在285nm SiO2/Si衬底上蒸镀厚度为3nm的微图案化WO3源(或称为WO3前驱体):在285nm SiO2/Si衬底上,WO3圆阵列的直径为150μm,圆心与圆心间距为450μm。
(2)化学气相沉积(CVD)制备WS2
(2.1)把镀有3nm厚的微图案化WO3源的SiO2/Si衬底放置在管式炉的加热区中心,向管式炉中通入300sccm氩气,持续30min,以排尽在管式炉内的空气;
(2.2)调整氩气流量为10sccm,持续通入,将管式炉温度以25℃/分钟升温至1000℃,再向管式炉内通入22sccm硫化氢,反应90秒,然后掀起炉盖降温并停止通入硫化氢,得到双层WS2样品γ。
上述使用微图案化WO3前驱体通过化学气相沉积(CVD)制备双层WS2的过程如图2所示。
实施例4 WS2样品δ的制备
(1)微图案化WO3前驱体的制备:
将镂空板(板上镂空图案为圆阵列)置于285nm SiO2/Si衬底(即,表层为285nmSiO2的硅片)上,一并放置于镀膜机中,通过热蒸发在285nm SiO2/Si衬底上蒸镀厚度为3nm的微图案化WO3源(或称为WO3前驱体):在285nm SiO2/Si衬底上,WO3圆阵列的直径为150μm,圆心与圆心间距为450μm。
(2)化学气相沉积(CVD)制备WS2
(2.1)把镀有3nm厚的微图案化WO3源的SiO2/Si衬底放置在管式炉的加热区中心,向管式炉中通入300sccm氩气,持续30min,以排尽在管式炉内的空气;
(2.2)调整氩气流量为12sccm,持续通入,将管式炉温度以25℃/分钟升温至1000℃,再向管式炉内通入20sccm硫化氢,反应90秒,然后掀起炉盖降温并停止通入硫化氢,得到单层WS2样品δ。
实施例5 WS2样品ε的制备
(1)微图案化WO3前驱体的制备:
将镂空板(板上镂空图案为圆阵列)置于285nm SiO2/Si衬底(即,表层为285nmSiO2的硅片)上,一并放置于镀膜机中,通过热蒸发在285nm SiO2/Si衬底上蒸镀厚度为9nm的微图案化WO3源(或称为WO3前驱体):在285nm SiO2/Si衬底上,WO3圆阵列的直径为150μm,圆心与圆心间距为450μm。
(2)化学气相沉积(CVD)制备WS2
(2.1)把镀有9nm厚的微图案化WO3源的SiO2/Si衬底放置在管式炉的加热区中心,向管式炉中通入300sccm氩气,持续30min,以排尽在管式炉内的空气;
(2.2)调整氩气流量为12sccm,持续通入,将管式炉温度以25℃/分钟升温至1000℃,再向管式炉内通入20sccm硫化氢,反应90秒,然后掀起炉盖降温并停止通入硫化氢,得到双层WS2样品ε。
实施例6 WS2样品ζ的制备
(1)微图案化WO3前驱体的制备:
将镂空板(板上镂空图案为圆阵列)置于285nm SiO2/Si衬底(即,表层为285nmSiO2的硅片)上,一并放置于镀膜机中,通过热蒸发在285nm SiO2/Si衬底上蒸镀厚度为27nm的微图案化WO3源(或称为WO3前驱体):在285nm SiO2/Si衬底上,WO3圆阵列的直径为150μm,圆心与圆心间距为450μm。
(2)化学气相沉积(CVD)制备WS2
(2.1)把镀有27nm厚的微图案化WO3源的SiO2/Si衬底放置在管式炉的加热区中心,向管式炉中通入300sccm氩气,持续30min,以排尽在管式炉内的空气;
(2.2)调整氩气流量为12sccm,持续通入,将管式炉温度以25℃/分钟升温至1000℃,再向管式炉内通入20sccm硫化氢,反应90秒,然后掀起炉盖降温并停止通入硫化氢,得到三层WS2样品ζ。
实施例7 WS2样品η的制备
(1)微图案化WO3前驱体的制备:
将镂空板(板上镂空图案为圆阵列)置于285nm SiO2/Si衬底(即,表层为285nmSiO2的硅片)上,一并放置于镀膜机中,通过热蒸发在285nm SiO2/Si衬底上蒸镀厚度为54nm的微图案化WO3源(或称为WO3前驱体):在285nm SiO2/Si衬底上,WO3圆阵列的直径为150μm,圆心与圆心间距为450μm。
(2)化学气相沉积(CVD)制备WS2
(2.1)把镀有54nm厚的微图案化WO3源的SiO2/Si衬底放置在管式炉的加热区中心,向管式炉中通入300sccm氩气,持续30min,以排尽在管式炉内的空气;
(2.2)调整氩气流量为12sccm,持续通入,将管式炉温度以25℃/分钟升温至1000℃,再向管式炉内通入20sccm硫化氢,反应90秒,然后掀起炉盖降温并停止通入硫化氢,得到多层WS2样品η。
WS2单晶片的结构和性能测试
图3(a)~图3(g)给出了实施例1~7制备所得的各WS2样品α~η的同步光学显微镜图,其中,标尺分别为10μm(α,β,γ,η)和50μm(δ,ε,ζ)。
从图3(a)~图3(g)可以看出:
当步骤(2.2)中的氩气流量为12sccm和硫化氢流量为20sccm时,随着WO3蒸镀厚度增加,WS2单晶层数逐渐增加:当WO3蒸镀厚度分别为3nm、9nm、27nm、54nm,分别得到单层、双层、三层、多层WS2单晶。
当WO3蒸镀厚度为3nm,随着步骤(2.2)中的硫化氢流量增加和氩气流量减少,WS2单晶层数逐渐增加:步骤(2.2)中的硫化氢流量分别为20sccm、22sccm、24sccm、26sccm,同时,步骤(2.2)中的氩气流量分别为12sccm、10sccm、8sccm、6sccm,分别得到单层、双层、三层、多层WS2单晶。
上述各实施例制备所得各样品的层数是通过各样品在SiO2/Si衬底上的光学显微镜图、WS2拉曼的面内振动E1 2g(Γ)与面外振动A1g(Γ)的峰位差以及AFM高度来判断的。
例如,图4(a)、图4(b)、图4(c)分别显示了实施例4制得的WS2样品δ、实施例5制得的WS2样品ε、实施例6制得的WS2样品ζ的光学显微镜图,标尺为10μm。从图4(a)、图4(b)、图4(c)分别可以看出WS2样品δ、WS2样品ε、WS2样品ζ的实物图像,通过衬底颜色的对比,可区分出WS2样品的层数:WS2样品δ为单层、WS2样品ε为双层、WS2样品ζ为三层。
图4(a)中右上角插图、图4(b)中右上角插图、图4(c)中右上角插图分别是实施例4制得的WS2样品δ、实施例5制得的WS2样品ε、实施例6制得的WS2样品ζ的AFM高度图。从图4(a)中右上角插图、图4(b)中右上角插图、图4(c)中右上角插图上,分别可以看出WS2样品δ、WS2样品ε、WS2样品ζ的厚度分别为0.7nm、1.5nm、2.0nm,即,单层、双层、三层WS2的厚度分别为0.7nm、1.5nm、2.0nm。
图5(a)显示了使用532nm激光对在SiO2/Si衬底上WS2样品δ、WS2样品ε、WS2样品ζ进行拉曼测试对应的面内振动E1 2g(Γ)和面外振动A1g(Γ)峰位。图5(b)显示了使用488nm激光对在SiO2/Si衬底上WS2样品δ、WS2样品ε、WS2样品ζ进行拉曼测试对应的面内振动E1 2g(Γ)和面外振动A1g(Γ)峰位。
从图5(a)和图5(b)可以看出,相同拉曼测试条件,WS2样品ε的拉曼面外振动A1g(Γ)峰强度比WS2样品δ的拉曼面外振动A1g(Γ)峰强度强,WS2样品ζ的拉曼面外振动A1g(Γ)峰强度比WS2样品ε的拉曼面外振动A1g(Γ)峰强度强,即,随层数增加,WS2样品的拉曼面外振动A1g(Γ)峰强度增强;同时,随层数增加,面内振动峰(E1 2g)红移,面外振动峰(A1g)蓝移,即E1 2g(Γ)和A1g(Γ)峰位差扩大,这和文献报道的机械剥离得到的WS2样品拉曼峰位和层数的变化趋势相符。
WS2场效应晶体管的制备及性能测试
用现有技术中常规方法制备WS2场效应晶体管:在长有WS2的硅片上旋涂光刻胶聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate,PMMA),电子束光刻,用显影液显影,分别热蒸镀5nm铬、50nm金,用丙酮泡去PMMA,得到WS2场效应晶体管。
通过半导体参数分析系统4200-SCS,测定WS2场效应晶体管的转移曲线和输出曲线。通过FEI Probe Corrected Titan Cubed Themis G2 60-300S/TEM获得双层WS2晶体(样品γ)的扫描隧道电子显微-高角度环形暗场(STEM-HAADF)图像。
图6(a)给出了由WS2样品γ所对应的双层WS2场效应晶体管的Ids-Vg转移曲线,图6(b)给出了由WS2样品γ所对应的双层WS2场效应晶体管的Ids-Vds输出曲线。图6(c)给出了WS2样品γ所对应的双层WS2晶体的STEM-HAADF图。图6(d)是图6(c)中框选区域的像素强度剖面图(Pixel intensity profile)。
从图6(a)中曲线1可以看出:样品γ所对应的双层WS2场效应晶体管的转移曲线,Ids随着Vg增加而增加,表明所得双层WS2为n型半导体。
场效应晶体管的电子迁移率μ的计算公式如下:
μ=dIds/dVg×L/(W·Cox·Vds)
其中,dIds/dVg为漏极电流对栅极电压的导数,L为沟道长度,W为沟道宽度,Vds为给定的源漏电压,Cox=ε0εr/d是介电层的比电容,ε0=8.854×10-12Fm-1是真空介电常数,εr=3.9是SiO2的相对介电常数,d=285nm为SiO2电介质厚度。
对图6(a)中曲线1求切线斜率dIds/dVg,代入公式可求得电子迁移率为μ=20.3cm2V-1S-1。图6(a)中曲线2是对曲线1的数据进行对数处理后得到的,从曲线2可以看出器件开状态与关状态的电流比值(Ion/off)约为108,表明双层WS2晶体管有很好的栅电场调控效果。
图6(b)中的各线条分别代表栅压为-60V、-40V、-20V、0V、20V、40V、60V时器件的伏安特性图。其中,栅压为负以及零的时候,器件为关状态,电流较小,所以栅压为-60V、-40V、-20V、0V的伏安特性线基本重合;栅压为正时,器件为开状态。伏安特性线为正比例函数关系,说明WS2与电极间的接触为欧姆接触。
图6(c)为双层WS2晶体的STEM-HAADF图,可清晰看出单个原子的排列。其中能直观看出六个圆球组成的正六边形,且组成正六边形的六个圆球亮度是明暗交替的;其中亮球对应一个钨原子与两个硫原子的重叠,暗球对应一个钨原子。仔细观察可看出正六边形中部还有一个较暗的圆球,其对应两个硫原子重叠的位置。由此可判断所得双层WS2晶体结构为斜方六面体结构3R相。
对图6(c)中框选区域进行像素强度剖面图(Pixel intensity profile)分析,可直观分辨STEM-HAADF图的明暗度,从而判断对应的原子位置。图6(d)是对图6(c)中框选区域的像素强度剖面图(Pixel intensity profile)。图6(d)中,峰强高的峰位对应亮球(一个钨原子与两个硫原子的重叠,图中记为W+2S),峰强适中的峰位对应暗球(一个钨原子,图中记为W),峰强较弱的峰位对应较暗的圆球(两个硫原子的重叠,图中记为2S),结合STEM-HAADF图的原子分布,可判断所得双层WS2晶体结构为斜方六面体3R相。图中箭头所指的峰位强度不明显,说明对应位置原子缺失,该位置为硫空位。从整体来说,双层WS2硫空位少,表明所得双层WS2晶体缺陷少、晶体质量高,相应的电学性能好。
可见,上述方法中,通过在镂空板上蒸镀WO3源,形成镀有微图案化的WO3前驱体,能够精准调控前驱体的量、原料利用率高、制备重复率高;通过对前驱体的量的调节以及氩气和硫化氢气体流量的调节,可以分别合成单层、双层、三层及多层WS2单晶。本发明方法合成的层数可控的WS2单晶可以为大面积均匀分布的WS2单晶,可广泛应用于电学逻辑器件、光电器件、传感器。
此外,本发明方法还可以有一些替代或变形,例如:
本发明中,微图案化WO3前驱体,其微图案可以是上述各实施例中的圆阵列,也可以是其他任何均匀分布的形状的微图案,例如,条形阵列、正方形阵列等等。
本发明中,反应时间可限定为1~3min,如时间过短,晶体尺寸小或没有产物;如时间过长,WO3前驱体的供应不足,所得WS2晶体逐渐分解,缺陷增多。
本发明中,步骤(2.1)的氩气可以被其他惰性气体例如氮气所替代。
本发明中,步骤(2.1)的氩气的流量可以根据实际情况进行调整,例如选择氩气的流量为50~300sccm,氩气通入的时间也可以根据实际情况进行调整,以排尽管式炉内空气为准。
本发明中,步骤(2.1)还可采取向管式炉中循环“抽真空-通入惰性气体”来排尽空气时,惰性气体可以是氩气或氮气,惰性气体的流量和通入时间可以根据实际情况来调整,如选择氩气的流量为50~300sccm。
本发明中,步骤(2.2)中管式炉的升温速度通常可设置为10~30℃/分钟。
本发明中,步骤(2.2)中管式炉可升温至950~1050℃,以995~1005℃为佳,以1000℃为最佳。
应当注意的是,以上所述的实施例仅用于解释本发明,并不构成对本发明的任何限制,通过参照典型实施例对本发明进行了描述,但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇,而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改,以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例,但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例,相反,本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。

Claims (8)

1.一种层数可控的二硫化钨单晶的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)微图案化WO3前驱体的制备:
通过热蒸发和镂空板在衬底上蒸镀厚度为3~54nm的WO3源,得到镀有微图案化的3~54nm厚WO3源的衬底;所述衬底为SiO2/Si衬底;
(2)化学气相沉积制备WS2
(2.1)将所述镀有微图案化的3~54nm厚WO3源的衬底放置在管式炉的加热区中心,向所述管式炉中通入惰性气体或循环进行抽真空和通惰性气体,以排尽所述管式炉中空气;
(2.2)向所述管式炉内持续通入6~12sccm氩气,将所述管式炉升温至950~1050℃,再向所述管式炉内通入20~26sccm硫化氢,反应1~3min,然后打开炉盖降温并停止通入硫化氢,得到相应层数的WS2单晶。
2.如权利要求1所述的层数可控的二硫化钨单晶的制备方法,其特征在于,所述微图案为均匀分布的任意形状的微图案。
3.如权利要求1所述的层数可控的二硫化钨单晶的制备方法,其特征在于,所述微图案为圆阵列、条形阵列或方形阵列。
4.如权利要求1所述的层数可控的二硫化钨单晶的制备方法,其特征在于,步骤(2.1)中,所述惰性气体为氩气。
5.如权利要求1所述的层数可控的二硫化钨单晶的制备方法,其特征在于,步骤(2.2)中,将所述管式炉升温至995~1005℃。
6.如权利要求1~5中任一项所述的层数可控的二硫化钨单晶的制备方法,其特征在于,WO3蒸镀厚度为3nm时,
步骤(2.2)中氩气流量为10sccm、硫化氢流量为22sccm,得到双层WS2单晶;
步骤(2.2)中氩气流量为8sccm、硫化氢流量为24sccm,得到三层WS2单晶;
步骤(2.2)中氩气流量为6sccm、硫化氢流量为26sccm,得到多层WS2单晶。
7.如权利要求1~5中任一项所述的层数可控的二硫化钨单晶的制备方法,其特征在于,当步骤(2.2)中氩气流量为12sccm和硫化氢流量为20sccm时,
WO3蒸镀厚度为3nm,得到单层WS2单晶;
WO3蒸镀厚度为9nm,得到双层WS2单晶;
WO3蒸镀厚度为27nm,得到三层WS2单晶;
WO3蒸镀厚度为54nm,得到多层WS2单晶。
8.由权利要求1~7中任一项所述的制备方法所得WS2单晶制得的场效应晶体管。
CN202010506839.8A 2020-06-05 2020-06-05 一种层数可控的二硫化钨单晶的制备方法 Active CN111472049B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010506839.8A CN111472049B (zh) 2020-06-05 2020-06-05 一种层数可控的二硫化钨单晶的制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010506839.8A CN111472049B (zh) 2020-06-05 2020-06-05 一种层数可控的二硫化钨单晶的制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111472049A CN111472049A (zh) 2020-07-31
CN111472049B true CN111472049B (zh) 2021-06-04

Family

ID=71765298

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010506839.8A Active CN111472049B (zh) 2020-06-05 2020-06-05 一种层数可控的二硫化钨单晶的制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111472049B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112038451A (zh) * 2020-09-07 2020-12-04 温州大学新材料与产业技术研究院 一种二维WS2/MoTe2垂直异质结的制备及测试方法
CN112647042A (zh) * 2020-12-17 2021-04-13 温州大学新材料与产业技术研究院 一种用热板制备二维WS2/PbI2垂直异质结的制备方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN201345096Y (zh) * 2008-12-16 2009-11-11 柯涵钰 透明基板的图案化透明导电薄膜及触控面板

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN201345096Y (zh) * 2008-12-16 2009-11-11 柯涵钰 透明基板的图案化透明导电薄膜及触控面板

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Controlled Synthesis and Transfer of Large-Area WS2 Sheets: From Single Layer to Few Layers;Ana Laura Elias et al.;《ACSNANO》;20130506;第7卷(第6期);第5235-5242页 *
WS2二维原子晶体的控制生长、掺杂及光电器件研究;梁洁园;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技I辑》;20200115;参见第11页图1-15、第4页第2段、第13页图1-19、第13页最后1段-第14页第1段、第18页第2段 *
低温制备单层二硫化铼的研究;潘宝俊;《西部皮革》;20200514;第42卷(第5期);参见摘要部分、第133页中栏第2段 *
化学气相沉积法控制合成低维过渡金属硫族化合物的研究;许冠辰;《中国博士学位论文全文数据库 工程科技I辑》;20160115;参见摘要部分第2页第5段、第4页图1.2、第7页图1.5、第9页第3段 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN111472049A (zh) 2020-07-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Lan et al. Wafer-scale synthesis of monolayer WS 2 for high-performance flexible photodetectors by enhanced chemical vapor deposition
Muratore et al. Physical vapor deposition of 2D Van der Waals materials: a review
Shivayogimath et al. A universal approach for the synthesis of two-dimensional binary compounds
Kim et al. Synthesis of hexagonal boron nitride heterostructures for 2D van der Waals electronics
Reale et al. High-mobility and high-optical quality atomically thin WS 2
Zhang et al. Shape-uniform, high-quality monolayered MoS2 crystals for gate-tunable photoluminescence
Lee et al. Synthesis of wafer-scale uniform molybdenum disulfide films with control over the layer number using a gas phase sulfur precursor
Feng et al. Synthesis of large-area highly crystalline monolayer molybdenum disulfide with tunable grain size in a H2 atmosphere
CN106048556B (zh) 半导体金属二硫属化合物的单层膜、其制备方法及其用途
Shahzad et al. Effects of temperature and pressure on sulfurization of molybdenum nano-sheets for MoS2 synthesis
Dai et al. Layer-controlled synthesis of wafer-scale MoSe2 nanosheets for photodetector arrays
CN111472049B (zh) 一种层数可控的二硫化钨单晶的制备方法
CN109791876A (zh) 在硅基电介质上直接形成六方氮化硼
Shi et al. Engineering wafer-scale epitaxial two-dimensional materials through sapphire template screening for advanced high-performance nanoelectronics
Pradhan et al. Temperature controlled 1T/2H phase ratio modulation in mono-and a few layered MoS2 films
Yeh et al. Probing substrate-dependent long-range surface structure of single-layer and multilayer Mo S 2 by low-energy electron microscopy and microprobe diffraction
KR101363825B1 (ko) 플라즈마 처리를 통한 메탈이 부착된 그래핀 시트 복합체 기반 고감응성 플렉시블 화학센서 제조방법
Liang et al. Carbon-nanoparticle-assisted growth of high quality bilayer WS 2 by atmospheric pressure chemical vapor deposition
Butanovs et al. Growth and characterization of PbI2-decorated ZnO nanowires for photodetection applications
Gupta et al. Modifications of optical, structural, chemical and morphological properties of molybdenum disulfide (MoS2) sputtered thin films under high dose gamma radiation
Young et al. Uniform large-area growth of nanotemplated high-quality monolayer MoS2
Sharma et al. Vapour transport deposition of fluorographene oxide films and electro-optical device applications
Tao et al. N-Channel and P-channel few-layer InSe photoelectric devices
Hussain et al. Synthesis of vertically stacked, highly oriented WS2 thin films by Electron beam evaporation
CN113699594B (zh) 一种雪花状的二硫化钨二维晶体材料、sers传感器及其制备方法和应用

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant