TW202140824A - 二維材料之製造方法 - Google Patents

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Abstract

一種二維材料之製造方法。在此方法中，利用靶材進行能量束濺鍍製程，以在襯底上形成過渡金屬薄膜。進行能量束濺鍍製程時，靶材與襯底之電位差為0，以使靶材與襯底之間無電場產生。於管爐內對過渡金屬薄膜進行合成反應，以使過渡金屬薄膜與硫屬物合成二維材料層。

Description

二維材料之製造方法
本揭露是有關於一種二維材料之製作技術，且特別是有關於一種大面積且高品質之二維材料的製造方法。
二維材料主要包含石墨烯、氮化硼、與過渡金屬二硫化物等具有層狀結構之材料。過渡金屬二硫化物可以化學式MX2表示，化學式中的M可為鉬(Mo)、鎢(W)、鉭(Ta)、鉑(Pt)、釩(V)、鈮(Nb)等等，X可為硫(S)、硒(Se)、與碲(Te)。
當這些二維材料減小到一個或幾個原子厚度時，經常可產生新的性能。由於石墨烯在單層時保留金屬狀態，氮化硼之能隙過大，因此這兩種二維材料缺少製造電晶體等所需的半導體特性。而過渡金屬二硫化物因呈現半導體性質，並且有不同種類，可應用於製造電晶體。舉例而言，二硫化鉬(MoS2)為n型半導體，二碲化鎢(WTe2)為p型半導體，二硫化鉑(PtS2)與二硒化鉑(PtSe2)則具有相當高之電子遷移率。另外，二硫化釩(VS2)與二硒化釩(VSe2) 具有磁性，二硒化鈮(NbSe2)具有超導特性。過渡金屬二硫化物系列材料的物理性質豐富，且這些材料的結構相似而可如積木般互相堆疊，適合應用於各種電子元件的製作。
目前有幾種製作過渡金屬二硫化物系列材料的技術。一種技術係採物理汽相沉積(PVD)方式。物理汽相沉積技術係以直流(DC)或射頻(RF)磁控濺射(magnetron sputter)方式先沉積過渡金屬於襯底上，再使襯底上之過渡金屬與硫屬物反應而合成過渡金屬二硫化物。但這樣的製作方式所合成之過渡金屬二硫化物之晶體的品質不佳。
另一種技術係利用化學氣相沉積(CVD)法或水溶液反應法合成過渡金屬二硫化物。高品質二維晶體材料大都採化學氣相沉積法製成。化學氣相沉積方式是先在管爐中形成汽化反應物，汽化反應物接著成核(nucleate)於襯底上，再於成核點(nucleation sites)外沿生長而形成二維晶體。因此，化學氣相沉積方式所製成之二維晶體的大小和成核密度以及均勻度有很大的關係。然而，汽化反應物的成核密度很難控制。對於石墨烯，化學氣相沉積方式可以生長到毫米大小的六角形或方形晶體。但對於過渡金屬二硫化物系列的二維晶體，成核密度小，化學氣相沉積方式所製成之二維晶體只可以生長到100微米等級大小的三角形晶體。因此，化學氣相沉積方式所製成之過渡金屬二硫化物無法應用於大面積元件。
還有一種技術係利用維用塊材(bulk)撕貼轉印的 方式製作過渡金屬二硫化物。然而，這樣的方式不易控制過渡金屬二硫化物之二維晶體的品質與尺寸。
因此，本發明之一目的就是在提供一種二維材料之製造方法，其靶材與襯底之間並無電場產生，故被能量束自靶材打下之過渡金屬原子不會轟擊襯底，藉此可保持襯底上之二維材料的完整性、平整度、與均勻性。
本發明之另一目的就是在提供一種二維材料之製造方法，其可生成晶體品質佳且大面積之二維材料，因此不僅二維材料容易分析檢測，更可應用於大面積元件的製作。
根據本發明之上述目的，提出一種二維材料之製造方法。在此方法中，利用靶材進行能量束濺鍍製程，以在襯底上形成過渡金屬薄膜。進行能量束濺鍍製程時，靶材與襯底之電位差為0，以使靶材與襯底之間無電場產生。於管爐內對過渡金屬薄膜進行合成反應，以使過渡金屬薄膜與硫屬物合成二維材料層。
依據本發明之一實施例，上述進行能量束濺鍍製程包含利用能量束，此能量束為原子束、離子束、電子束、或光束。
依據本發明之一實施例，上述之靶材與襯底彼此相對設置，且進行能量束濺鍍製程包含朝靶材射擊能量束。
依據本發明之一實施例，上述之過渡金屬薄膜之厚 度為約0.1nm至約2nm。
依據本發明之一實施例，上述之靶材與襯底並未接電。
依據本發明之一實施例，上述進行合成反應時包含將管爐內之溫度控制在約700℃至約1000℃。
依據本發明之一實施例，上述之二維材料層包含1層至10層原子層。
依據本發明之一實施例，上述之二維材料層係過渡金屬二硫化物層。
依據本發明之一實施例，上述之過渡金屬薄膜包含鉬、鎢、鉭、鉑、釩、或鈮。
依據本發明之一實施例，上述之硫屬物包含硫、硒、或碲。
100:靶材
102:表面
104:靶材原子
110:襯底
112:表面
120:能量束
130:過渡金屬薄膜
140:二維材料層
200:步驟
210:步驟
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：
〔圖1A〕與〔圖1B〕係繪示依照本發明之一實施方式的一種製造二維材料時的裝置流程示意圖。
〔圖2〕係繪示依照本發明之一實施方式的一種二維材料之製造方法的流程圖。
〔圖3〕係依照本發明之一實施方式之二硫化鉬二維材料的X光繞射(X-Ray diffraction，XRD)譜。
〔圖4〕係依照本發明之一實施方式之二硫化鉬二維材料之7個原子層與3個原子層的螢光(photoluminescence，PL)光譜。
發明人發現磁控濺射沉積過程中因靶材與襯底之間存在很大的直流或交流電場，而此電場會造成襯底被電漿轟擊甚至反濺射。這樣的情況對於幾十個原子層以上的厚膜材料而言，因厚膜材料之表面與體積之間的比例小，因此對製程不會造成太大問題。但是，二維材料膜厚薄，電漿轟擊或反濺射會造成二維材料的破碎，嚴重破壞二維材料的平整度與均勻性。此外，習知製作二維材料之技術無法製作出大面積且品質佳之二維材料。有鑑於此，本揭露實施方式提出一種二維材料之製造方法，其可製作出大面積之高品質的二維晶體材料，特別是過渡金屬二硫化物系列，而可大大地擴展二維材料的應用性。
請同時參照圖1A、圖1B、與圖2，其中圖1A與圖1B係繪示依照本發明之一實施方式的一種製造二維材料時的裝置流程示意圖，圖2係繪示依照本發明之一實施方式的一種二維材料之製造方法的流程圖。在一些實施例中，製造二維材料時係採能量束濺鍍方式，因此先提供包含二維材料之成分的靶材100。在本實施方式中，靶材100包含過渡金屬。接著，可將靶材100與二維材料欲成長於其上之襯底110彼此相對設置，即靶材100之表面 102與襯底110之表面112相面對，如圖1A所示。
能量束120可朝靶材100之表面102射擊，以利用其能量激發靶材100，而將靶材原子104擊出，進而使靶材原子104沉積在襯底110之表面112上。因此，能量束120具有足以將靶材原子104擊出的能量。產生能量束120之裝置可鄰設於靶材100與襯底110，亦可遠離靶材100一段距離。產生能量束120之裝置的設置位置只要此裝置能將所產生之能量束120射擊在靶材100之表面102即可。在一些例子中，能量束120可為原子束、離子束、電子束、或光束。光束可例如為雷射光束。
如圖2所示，製造二維材料時，可先進行步驟200，以利用靶材100進行能量束濺鍍製程，而朝靶材100之表面102射擊能量束120。利用能量束120之能量來激發並擊出靶材100之靶材原子104。被能量束120擊出之靶材原子104掉落並沉積在襯底110之表面112上，而在襯底110之表面112上形成過渡金屬薄膜130。在一些例子中，過渡金屬薄膜130之厚度可為約0.1nm至約2nm。過渡金屬薄膜130可包含化學週期表中過渡金屬系列之一金屬元素。舉例而言，過渡金屬薄膜130可包含鉬、鎢、鉭、鉑、釩、或鈮。
在本實施方式中，進行能量束濺鍍製程時，靶材100與襯底110之間並無電場產生，即靶材100與襯底110之間的電位差為0。在一些示範例子中，靶材100與襯底110並未接電，即靶材100與襯底110並未和任何 電源連接。在特定例子中，靶材100與襯底110可接電，但靶材100與襯底110之間的電位差為0。
由於在能量束濺鍍製程中，靶材100與襯底110之間並沒有電場，因此靶材100被能量束120擊發出之靶材原子104可以軟著陸於襯底110之表面112上，而不會轟擊襯底110之表面112。如此一來，沉積在襯底110之表面112上的過渡金屬薄膜130可以保持良好的平整性與均勻度。
完成能量束濺鍍製程後，可進行步驟210，以對襯底110上之過渡金屬薄膜130進行合成反應，來使過渡金屬薄膜130與硫屬物合成二維材料層140，如圖1B所示。硫屬物可為化學週期表之氧族元素中除了氧以外的元素。舉例而言，硫屬物可包含硫、硒、或碲。在一些例子中，對過渡金屬薄膜130進行合成反應時，可先將襯底110連同其上之過渡金屬薄膜130置入管爐內，並於管爐內通入硫屬物，同時提高管爐內之溫度，使得過渡金屬薄膜130中的過渡金屬與硫屬物反應，而合成二維材料層140。在一些示範例子中，進行過渡金屬與硫屬物之合成反應時包含將管爐內之溫度控制在約700℃至約1000℃。
本實施方式中，二維材料層140係由過渡金屬與硫屬物合成，因此二維材料層140為一過渡金屬二硫化物層。舉例而言，二維材料層140之材料可包含化學式為MX2的材料，化學式中的M可為過渡金屬元素鉬、鎢、鉭、鉑、釩、鈮等等，X可為硫屬物元素硫、硒、與碲。另外， 根據應用需求，二維材料層140可包含1層至10層的原子層。
由於進行合成反應前，襯底110上之過渡金屬薄膜130具有良好的平整性與均勻性，因此過渡金屬薄膜130與硫屬物合成所形成之二維材料層140也具有良好的平整性與均勻性，且晶體品質佳。此外，也由於過渡金屬薄膜130的平整性與均勻性良好，因而可順利製作出大面積之二維材料層140。舉例而言，二維材料層140之面積可達2吋晶圓以上。另外，本實施方式之能量束濺鍍製程可和其他工業製程整合進行，因此可應用於大量製造。
在一示範例子中，以製作二硫化鉬二維材料為例。在此例子中，先進行能量束濺鍍製程，以能量束照射鉬靶材來激發出鉬原子，而在襯底之表面上形成大面積且平整又均勻的鉬薄膜。接著，將襯底及其上之鉬薄膜與硫粉一起置於管爐中進行硫化，其中管爐內之溫度控制在約800℃至約950℃。鉬薄膜與硫粉於管爐中硫化約20分鐘至約60分鐘，即可得到大面積且平整又均勻之高品質二硫化鉬二維材料。二硫化鉬二維材料可包含1層至10層的原子層。
由於此二硫化鉬二維材料面積大，因此方便進行分析檢測。以下對此二硫化鉬二維材料進行一些檢測分析。二硫化鉬二維材料之角解析光電子能譜(angle resolved photoemission spectroscopy，ARPES)顯示出二硫化鉬二維材料接近單晶塊材的品質特性。而這為採用化學 氣相沉積技術或磁控濺鍍技術所無法達到的品質。
請參照圖3，其係依照本發明之一實施方式之二硫化鉬二維材料的X光繞射譜。由圖3可看出，二硫化鉬二維材料之X光繞射譜顯示出接近單晶塊材品質與大面積均勻特性。這也是採用化學氣相沉積技術或磁控濺射技術無法達到的。3個原子層之二硫化鉬二維材料因建設性干涉較微弱，因此強度不明顯，但是從圖3之X光繞射譜中依然可看到主要(較寬)的繞射峰。
請參照圖4，其係依照本發明之一實施方式之二硫化鉬二維材料之7個原子層與3個原子層的螢光光譜。二硫化鉬二維材料之7個原子層與3個原子層的螢光光譜顯示出，在二硫化鉬二維材料之原子層的層數減少到接近單層的情況下，二維材料的特性(即具有直接能隙的特性)就顯示出來，這同樣是化學氣相沉積技術或磁控濺射技術所無法達到的。
由上述之實施方式可知，本發明之一優點就是因為本發明實施方式在製造二維材料時，靶材與襯底之間並無電場產生，因此被能量束自靶材打下之過渡金屬原子不會轟擊襯底，而可保持襯底上之二維材料的完整性、平整度、與均勻性。
由上述之實施方式可知，本發明之另一優點就是因為本發明實施方式之二維材料之製造方法可生成晶體品質佳且大面積之二維材料，因此不僅二維材料容易分析檢測，更可應用於大面積元件的製作。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何在此技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
200:步驟
210:步驟

Claims (10)

  1. 一種二維材料之製造方法，包含：
    利用一靶材進行一能量束濺鍍製程，以在一襯底上形成一過渡金屬薄膜，其中進行該能量束濺鍍製程時，該靶材與該襯底之電位差為0，以使該靶材與該襯底之間無電場產生；以及
    於一管爐內對該過渡金屬薄膜進行一合成反應，以使該過渡金屬薄膜與一硫屬物合成一個二維材料層。
  2. 如請求項1所述之方法，其中進行該能量束濺鍍製程包含利用一能量束，該能量束為一原子束、一離子束、一電子束、或一光束。
  3. 如請求項1所述之方法，其中該靶材與該襯底彼此相對設置，且進行該能量束濺鍍製程包含朝該靶材射擊一能量束。
  4. 如請求項1所述之方法，其中該過渡金屬薄膜之厚度為0.1nm至2nm。
  5. 如請求項1所述之方法，其中該靶材與該襯底並未接電。
  6. 如請求項1所述之方法，其中進行該合成反 應時包含將該管爐內之溫度控制在700℃至1000℃。
  7. 如請求項1所述之方法，其中該二維材料層包含1層至10層原子層。
  8. 如請求項1所述之方法，其中該二維材料層係一過渡金屬二硫化物層。
  9. 如請求項1所述之方法，其中該過渡金屬薄膜包含鉬、鎢、鉭、鉑、釩、或鈮。
  10. 如請求項1所述之方法，其中該硫屬物包含硫、硒、或碲。
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