CN119753623B - 非晶SiO2衬底上制备大晶畴尺寸单层MoS2薄膜的方法 - Google Patents
非晶SiO2衬底上制备大晶畴尺寸单层MoS2薄膜的方法Info
- Publication number
- CN119753623B CN119753623B CN202410023492.XA CN202410023492A CN119753623B CN 119753623 B CN119753623 B CN 119753623B CN 202410023492 A CN202410023492 A CN 202410023492A CN 119753623 B CN119753623 B CN 119753623B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- temperature
- substrate
- temperature zone
- powder
- film
- 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
Links
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Abstract
本发明公开了一种非晶SiO2 2衬底上制备大晶畴尺寸单层MoS2 2薄膜的方法。所述方法将S粉、MoO3 3粉末、洁净的SiO2 2/Si衬底分别放置于第一温区、第二温区和第三温区，调控两粉末的间距以及MoO3 3粉末与衬底之间的距离，将各温区升温至设定温度，通过第一温区依次流向第二温区和第三温区的Ar/O2 2混合载气气流将S粉和MoO3 3粉末输送到衬底上并发生化学反应，在SiO2 2/Si衬底生长得到大晶畴尺寸单层MoS2 2薄膜。本发明采用化学气相沉积方法，在SiO2 2/Si衬底上，制备了均匀性好、晶畴尺寸大、高质量结晶性的单层MoS2 2薄膜，其平均晶畴尺寸可达20μ μm~78μ μm，该方法操作简单、成本低、可重复性好。
Description
技术领域
本发明属于二维原子晶体材料领域，涉及一种非晶SiO2衬底上制备大晶畴尺寸单层MoS2薄膜的方法。
背景技术
二维原子晶体材料是指电子仅可在长和宽两个维度的非纳米尺度(1-100nm)上自由移动的材料，如纳米薄片、超晶格、量子阱等，因其具有原子级厚度、表面无悬挂键以及优异的电学传输特性，能有效解决场效应晶体管当前所面临的短沟道效应、器件高功耗等瓶颈问题，是后摩尔时代延续传统Si基芯片在亚10nm先进节点的最有希望的候选者之一。2004年，曼彻斯特大学Geim小组率先通过机械剥离方法从块体石墨中获得了单层二维石墨烯，且证明了其独特优异的电学性质，并荣获2010年诺贝尔物理学奖。此后近20年间，以石墨烯为代表的二维原子晶体材料进入快速发展，并引起了科学界和工业界的广泛兴趣和研究热潮。除石墨烯以外，一系列新型二维原子晶体材料也随之被挖掘，包括单元素硅烯(Silicene)、锑烯(Antimonene)和黑磷(Phosphorene)等，过渡金属硫族化合物(TMDCs)如MoS2、WS2、WSe2、ReS2等。其中，MoS2作为TMDCs大家族中的重要一员，由于其可调的能带带隙值(Eg)、原子级厚度以及优良的机械性能，被研究人员广泛关注和研究，在逻辑电路(CMOS)和柔性电子学等领域展现出巨大潜力。此外，MoS2已被国际半导体技术发展路线图(ITRS)列入未来有望延续摩尔定律的理想沟道材料。
现有的单层MoS2薄膜的制备方法主要包括溶液合成、原子层沉积和化学气相沉积等。目前，具有大尺寸晶畴的单层MoS2薄膜主要在蓝宝石衬底上合成，原因可归因于蓝宝石衬底为单晶衬底，且蓝宝石与MoS2具有较好的晶格参数匹配度，有利于MoS2薄膜的二维外延生长。但是，蓝宝石并非兼容传统Si基衬底和构建电学晶体管器件的理想衬底。主要原因在于，生长在蓝宝石上的MoS2薄膜，需要利用湿法转移技术将MoS2薄膜转移至目标衬底(例如：Si衬底)上进行电学器件构造及测试，而在转移过程中涉及到化学试剂的残留和应力的释放，会对薄膜质量造成不可避免的损伤导致其品质下降。而具有一定氧化层厚度的非晶SiO2衬底既可以外延生长MoS2薄膜，还可直接在其上构造电学晶体管器件，免去了转移过程中的污染和应力聚集。然而当前在非晶SiO2衬底上生长的单层MoS2薄膜的晶畴尺寸较小，严重阻碍了MoS2薄膜往集成晶体管阵列在电学性能上的潜力释放。例如，文献1采用原子层沉积法在SiO2/Si衬底上制备了4-inch MoS2薄膜，该方法虽然能快速得到大面积MoS2薄膜，然而薄膜的均匀性差、晶粒尺寸很小(Pyeon J J,Kim S H,Jeong D S,et al.Wafer-scalegrowth ofMoS2 thin films by atomic layer deposition.Nanoscale,2016,8:10792-10798)。文献2采用化学气相沉积法在SiO2/Si衬底上制备单层MoS2薄膜，虽然改善了薄膜的均匀性，晶畴尺寸仍然较小(<1μm)(Zhang J,Yu H,Chen W,et al.Scalable GrowthofHigh-Quality Polycrystalline MoS2Monolayers on SiO2 with Tunable Grain Sizes[J].AcsNano,2014,8(6):6024-6030)。文献3采用金属化学气相沉积法在SiO2/Si衬底上制备了4英寸MoS2薄膜，该方法可以对挥发出来的源较好的控制，生长出来的薄膜均匀性较好，然而生长的MoS2薄膜平均晶畴尺寸只有1μm左右(Kang K,Xie S E,Huang L J,etal.High-mobility three-atom-thick semiconducting films with wafer-scalehomogeneity[J].Nature,2015,520(7549):656-660)。
发明内容
本发明的目的在于提供一种非晶SiO2衬底上制备大晶畴尺寸单层MoS2薄膜的方法，该方法可以快速、低成本的在非晶硅衬底上制备大晶畴尺寸的单层MoS2薄膜，平均晶畴尺寸为20μm～78μm。
实现本发明目的的技术方案如下：
非晶SiO2衬底上制备大晶畴尺寸单层MoS2薄膜的方法，包括以下步骤：
(1)将洁净的SiO2/Si衬底放置在仰角为30°的石英衬托支架上，放置于第三温区；将S粉和MoO3粉末分别放置在两个陶瓷舟中，并将两个陶瓷舟放置于石英玻璃管中，S粉放置于第一温区，MoO3粉末放置于第二温区，两粉末的间距为18～21cm，MoO3粉末与衬底之间的距离为15～18.5cm；
(2)第一温区温度设置为135℃～150℃，第二温区温度设置为640℃～700℃，第三温区温度设置为700℃～810℃，将各温区升温至设定温度，并且第一温区提前10～15min先于第二和第三温区到达设定温度，通过第一温区依次流向第二温区和第三温区的Ar/O2混合载气气流将S粉和MoO3粉末输送到衬底上并发生化学反应，在SiO2/Si衬底生长得到大晶畴尺寸单层MoS2薄膜。
进一步地，步骤(1)中，SiO2/Si衬底中SiO2层的厚度为285nm，Si基厚度为500μm。
进一步地，步骤(1)中，两粉末的间距为21cm，MoO3粉末与衬底的间距为18.5cm。
进一步地，步骤(2)中，升温阶段载气的流量比为Ar：O2＝70：1～5，优选为70:5，生长阶段载气的流量比为Ar：O2＝70：1～5，优选为70：2～3。
进一步地，步骤(2)中，第一温区的温度为145℃，第二温区的温度为675℃，第三温区的温度为725℃。
进一步地，步骤(2)中，第一温区的保温时间为30min，第二和第三温区的保温时间为15min。
进一步地，步骤(2)中，生长时间为15min，石英玻璃管内的总压强1.45torr。
进一步地，步骤(2)中，单层MoS2薄膜的平均晶畴尺寸为20μm～78μm，厚度为0.65nm。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明采用化学气相沉积(CVD)方法，在非晶(285nm)/Si(500μm)衬底上，制备了均匀性好、晶畴尺寸大、高质量结晶性的单层MoS2薄膜，其平均晶畴尺寸可达20μm～78μm，该方法操作简单、成本低、可重复性好，且所制备的单层MoS2薄膜无需转移，简化了晶体管器件构建过程，避免了转移过程化学试剂和残留应力对材料质量的影响。
(2)本发明通过控制升温阶段和生长阶段氧气(O2)的流量，可以有效的避免前驱体MoO3粉末源中毒，同时还可以刻蚀去除生长过程中不稳定的晶粒，降低MoS2的形核晶仔密度，从而获得具有大尺寸晶畴的单层MoS2薄膜，薄膜内部单个晶畴的最大尺寸可达78μm；通过光学显微镜(OM)可以看出分阶段供氧对形核密度和单个晶畴大小的影响；通过扫描电子显微镜(SEM)测试，可以看到在生长阶段，选用不同的O2流量对MoS2薄膜晶畴尺寸的调控过程；通过原子力显微镜(AFM)数据可以分析所得MoS2薄膜的厚度；通过拉曼光谱仪(Raman)和光致发光(PL)分析测试，均可证明所制备的MoS2薄膜为单层；通过透射电子显微镜(TEM)的衍射花样和高分辨透射电子显微镜(HRTEM)的原子结构排列方式的测试结果分析，证明了所获得薄膜为单层MoS2薄膜且具有良好的结晶性，同时能谱仪(EDS)元素分析，也证明了所制备薄膜为MoS2成分的Mo、S元素，且具有良好的均匀性及高品质。
附图说明
图1为本发明制备单层MoS2薄膜的生长装置结构示意图；
图2为实施例1制备的单层MoS2薄膜的OM图；
图3为实施例1制备的单层MoS2薄膜的SEM图；
图4为实施例1制备的单层MoS2薄膜的AFM高度图；
图5为实施例1制备的单层MoS2薄膜的Raman光谱图；
图6为实施例1制备的单层MoS2薄膜的PL光谱图；
图7为实施例1制备的单层MoS2薄膜的SAED衍射花样图；
图8为实施例1制备的单层MoS2薄膜的HRTEM原子结构排列图；
图9为实施例l制备的单层MoS2薄膜的EDS图及Mo、S元素分布图；
图10为对比例1制备的单层MoS2薄膜的AFM图；
图11为实施例2制备的单层MoS2薄膜的OM图；
图12为实施例3制备的单层MoS2薄膜的OM图；
图13为实施例4制备的单层MoS2薄膜的OM图；
图14为对比例2制备的单层MoS2薄膜OM图；
图15为对比例3制备的单层MoS2薄膜AFM图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
实施例1
步骤(1)：将SiO2/Si衬底(285nm SiO2，500μm Si)切成3cm×3cm的正方形；
步骤(2)：将切割好的3cm×3cm硅片分别放置入纯度≥99.95％的丙酮、异丙醇、乙醇中各超声清洗10min，并用N2吹干；
步骤(3)：将吹干的SiO2/Si衬底放置到UV清洗机中用紫外光照射30min；
步骤(4)：称取790mg S粉和35mg MoO3粉末，分别放置在两个陶瓷舟中，并将两个陶瓷舟放置于石英玻璃管中，S粉放置于第一温区，MoO3粉末放置于第二温区，二者相距21cm，将洁净的SiO2/Si衬底放置在仰角为30°的石英衬托支架上，放置于第三温区，衬底与MoO3粉末的距离为18.5cm；
步骤(5)：对三温区CVD管式炉系统通入Ar气，再用机械泵反复抽空2次，排除石英管内残留的空气及杂质气体；
步骤(6)：设置升温曲线，第一温区保温15min后，在30min内加热到145℃，保温30min；第二温区在60min内升温到675℃，第三温区在60min内升温到725℃保温15min；
步骤(7)：设置载气流量，升温阶段Ar：O2＝70：5(单位sccm)，生长阶段Ar：O2＝70：2；压强为1.45torr；
步骤(8)：反应结束后，自然冷却到室温，取出样品表征观察，得到单层MoS2薄膜。
本实施例1制备的单层MoS2薄膜的OM图像如图2所示；本实施例制备的单层MoS2薄膜的SEM图像如图3所示，单层MoS2薄膜的最大晶粒尺寸为78μm；本实施例制备的单层MoS2薄膜的AFM高度图如图4所示，厚度为～0.65nm；本实施例制备的单层MoS2薄膜的Raman光谱图如图5所示，面内面外特征峰之间的差值为19.46cm-1，符合单层MoS2薄膜的特征；本实施例制备的单层MoS2薄膜的PL光谱图如图6所示，带隙为1.87eV；本实施例制备的单层MoS2薄膜的SAED衍射花样如图7所示；本实施例制备的单层MoS2薄膜的HRTEM原子结构排列图如图8所示；本实施制备的单层MoS2薄膜的EDS图及元素分布图如图9所示。
对比例1
与实施例1类似，区别在于，调控步骤(7)中生长阶段的Ar:O2＝70：1。
本实施例制备的单层MoS2薄膜的AFM如图10所示，从图中可以看出，MoS2薄膜的晶粒尺寸较小，平均晶粒尺寸为300nm。
实施例2
与实施例1类似，区别在于，调控实施例1步骤(7)中生长阶段的Ar:O2＝70：3。
本实施例制备的单层MoS2薄膜的OM如图11所示，从图中可以出，单层MoS2薄膜的平均晶粒尺寸为45μm。
实施例3
与实施例1相似，区别在于，调控实施例1步骤(7)中生长阶段的Ar:O2＝70：4。
本实施例制备的单层MoS2薄膜的OM如图12所示，从图中可得到，单层MoS2薄膜的平均晶粒尺寸为30μm。
实施例4
与实施例1类似，区别在于，调控实施例1步骤(7)中的生长阶段的Ar:O2＝70:5。
本实施例制备的单层MoS2薄膜的OM如图13所示，从图中可以看出，单层MoS2薄膜的平均晶粒尺寸为20μm。
对比例2
与实施例1类似，区别在于，调控实施例1步骤(6)中的第二温区升温至545℃。
本对比例制备的单层MoS2薄膜OM如图14所示，从图中可以看出，单层MoS薄膜覆盖不完全。
对比例3
与实施例1类似，区别在于，调控实施例1步骤(7)中压强为1torr。
本对比例制备的单层MoS2薄膜AFM图如图15所示，从图中可以看出，随着压强的降低，沉积到衬底上的源变少，所制备的单层MoS2薄膜的晶畴小，平均晶畴尺寸为10μm。
由以上实施例和对比例可以看出，本发明提供的制备方法操作简单、制备成本低，通过调节升温阶段和生长阶段氧气的流量，可以有效减少形核密度、在非晶SiO2衬底上调控单层MoS2薄膜的晶畴尺寸、提升薄膜的结晶性，最终在SiO2衬底上得到高品质大晶畴单层MoS2薄膜。
Claims (8)
1.非晶SiO2衬底上制备大晶畴尺寸单层MoS2薄膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将洁净的SiO2/Si衬底放置在仰角为30°的石英衬托支架上，放置于第三温区；将S粉和MoO3粉末分别放置在两个陶瓷舟中，并将两个陶瓷舟放置于石英玻璃管中，S粉放置于第一温区，MoO3粉末放置于第二温区，两粉末的间距为18~21 cm，MoO3粉末与衬底之间的距离为15~18.5 cm；
（2）第一温区温度设置为135 ℃~150 ℃，第二温区温度设置为640 ℃~700 ℃，第三温区温度设置为700 ℃~810 ℃，将各温区升温至设定温度，并且第一温区提前10~15min先于第二和第三温区到达设定温度，通过第一温区依次流向第二温区和第三温区的Ar/O2混合载气气流将S粉和MoO3粉末输送到衬底上并发生化学反应，在SiO2/Si衬底生长得到大晶畴尺寸单层MoS2薄膜，升温阶段载气的流量比为Ar：O2=70：1~5，生长阶段载气的流量比为Ar：O2 = 70：2~5，石英玻璃管内的总压强1.45 torr。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（1）中，SiO2/Si衬底中SiO2层的厚度为285nm，Si基厚度为500 μm。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（1）中，两粉末的间距为21 cm，MoO3粉末与衬底的间距为18.5 cm。
4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（2）中，生长阶段载气的流量比为Ar：O2 = 70：2~3。
5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（2）中，第一温区的温度为145 ℃，第二温区的温度为675 ℃，第三温区的温度为725℃。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（2）中，第一温区的保温时间为30min，第二和第三温区的保温时间为15min。
7. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（2）中，生长时间为15 min。
8. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（2）中，单层MoS2薄膜的平均晶畴尺寸为20 μm~78 μm，厚度为0.65 nm。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410023492.XA CN119753623B (zh) | 2024-01-08 | 2024-01-08 | 非晶SiO2衬底上制备大晶畴尺寸单层MoS2薄膜的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410023492.XA CN119753623B (zh) | 2024-01-08 | 2024-01-08 | 非晶SiO2衬底上制备大晶畴尺寸单层MoS2薄膜的方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN119753623A CN119753623A (zh) | 2025-04-04 |
| CN119753623B true CN119753623B (zh) | 2026-01-30 |
Family
ID=95191219
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202410023492.XA Active CN119753623B (zh) | 2024-01-08 | 2024-01-08 | 非晶SiO2衬底上制备大晶畴尺寸单层MoS2薄膜的方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN119753623B (zh) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107299333A (zh) * | 2017-05-26 | 2017-10-27 | 西安理工大学 | 一种单层二硫化钼薄膜的制备方法 |
| CN112501555A (zh) * | 2020-11-19 | 2021-03-16 | 南京大学 | 一种单层二硫化钼薄膜的制备方法 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2548628A (en) * | 2016-03-24 | 2017-09-27 | Univ Oxford Innovation Ltd | Process |
| CN106929827A (zh) * | 2017-04-27 | 2017-07-07 | 郑州大学 | 一种少层MoS2薄膜的制备方法 |
| CN115058699A (zh) * | 2022-05-16 | 2022-09-16 | 西安电子科技大学 | 一种基于化学气相沉积的单层二硫化钼及其制备方法 |
-
2024
- 2024-01-08 CN CN202410023492.XA patent/CN119753623B/zh active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107299333A (zh) * | 2017-05-26 | 2017-10-27 | 西安理工大学 | 一种单层二硫化钼薄膜的制备方法 |
| CN112501555A (zh) * | 2020-11-19 | 2021-03-16 | 南京大学 | 一种单层二硫化钼薄膜的制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN119753623A (zh) | 2025-04-04 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Shi et al. | High-efficiency synthesis of large-area monolayer WS2 crystals on SiO2/Si substrate via NaCl-assisted atmospheric pressure chemical vapor deposition | |
| CN112359421B (zh) | 一种反向气流法制备层状铋氧硒半导体薄膜的方法 | |
| CN102037165B (zh) | 在金属氧化物基底上制造纳米结构的方法和薄膜器件 | |
| CN106917072A (zh) | 一种使用辅助衬底大面积清洁制备单层二硫化钼薄膜的方法 | |
| WO2014182697A1 (en) | Methods for the synthesis of arrays of thin crystal grains of layered semiconductors sns2 and sns at designed locations | |
| Qian et al. | Growth of continuous MoS2 film with large grain size by chemical vapor deposition | |
| CN112875655B (zh) | 一种非层状二维Cr2Se3纳米片的制备方法和应用 | |
| CN115012029B (zh) | 一种二维硒化铟晶体材料的制备方法 | |
| CN111620325B (zh) | 一种制备石墨烯纳米带阵列的方法 | |
| Chen et al. | Control of grain size and crystallinity of poly-Si films on quartz by Al-induced crystallization | |
| CN110010449B (zh) | 一种高效制备一维碳纳米管/二维过渡金属硫族化合物异质结的方法 | |
| CN107217242B (zh) | 一种电子器件介电衬底的表面修饰方法 | |
| CN112456452A (zh) | 一种二硒化锗纳米材料的制备方法 | |
| CN113990738B (zh) | 一种二维材料横向马赛克异质结阵列及其制备和应用 | |
| Fukidome et al. | Site-selective epitaxy of graphene on Si wafers | |
| Jeon et al. | Controlling grain size and continuous layer growth in two-dimensional MoS 2 films for nanoelectronic device application | |
| CN115465843B (zh) | 碲纳米带阵列及其制备方法 | |
| CN119753623B (zh) | 非晶SiO2衬底上制备大晶畴尺寸单层MoS2薄膜的方法 | |
| CN118308786B (zh) | 一种低维二氧化碲晶体的异质外延方法 | |
| CN105019028B (zh) | 一种制备特定形貌和晶体结构的InAs纳米线的方法 | |
| CN111634947B (zh) | 一种均匀高应变的二维二硫化钼材料及其制备方法 | |
| CN120311164A (zh) | 一种改善单层MoS2薄膜表面洁净度的方法 | |
| CN119243114B (zh) | 一种晶圆级单层MoS2薄膜及其制备方法 | |
| CN120925072B (zh) | 一种在非晶衬底上生长有机半导体单层膜的方法 | |
| CN112919472A (zh) | 一种碳化钼二维材料的制备方法及其应用 |
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 |