一種二硫化鉬薄膜及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明適用于無機納米膜材料技術(shù)領(lǐng)域，提供了一種二硫化鉬薄膜的制備方法，以藍寶石為襯底，使用CVD法在所述襯底表面生成MoS2薄膜；所述生成MoS2薄膜的過程為：以硫粉和MoO3為原料、高純氬氣為載流氣體，在所述襯底上沉積MoS2薄膜。本發(fā)明還提供了一種二硫化鉬薄膜，采用上述所述的制備方法制成。本發(fā)明所提供的二硫化鉬薄膜及其制備方法，所用的硫化鉬材料與襯底材料藍寶石之間的結(jié)合力極強，所制得的MoS2薄膜的質(zhì)量極高，可以滿足電學(xué)領(lǐng)域和光學(xué)領(lǐng)域?qū){米薄膜材料的質(zhì)量要求。
【專利說明】
一種二硫化鉬薄膜及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于無機納米膜材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種二硫化鉬薄膜及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]MoS2(二硫化鉬)薄膜在結(jié)構(gòu)和性能上類似于石墨烯，但與石墨烯不同，二硫化鉬薄膜存在一個可調(diào)控的帶隙。塊狀晶體MoS2(二硫化鉬)的帶隙為1.2eV，其電子躍迀方式為間接躍迀；當(dāng)厚度為單層時，MoS2的帶隙可以達到1.8eV，且其電子躍迀方式轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯榆S迀。因此，MoS2薄膜獨特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的物理性能以及可調(diào)節(jié)的能帶隙使其在電子器件領(lǐng)域比石墨烯更具有應(yīng)用潛力，它將是一種在電學(xué)、光學(xué)、半導(dǎo)體領(lǐng)域具有十分重要應(yīng)用前景的二維納米材料。憑借其納米尺寸的層狀結(jié)構(gòu)，使得制造更小規(guī)格、更高能效半導(dǎo)體芯片成為可能，使其在納米電子元器件領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。
[0003]傳統(tǒng)的MoS2薄膜方法是將二硫化鉬材料是采用CVD法在Si襯底上制備然后移植到其它材料上(如藍寶石襯底)，這種技術(shù)雖然簡單易行，通用性強，但是卻具有非常致命的缺點，就是二硫化鉬材料與襯底材料的結(jié)合力比較差，轉(zhuǎn)移過程中會引入額外的缺陷，降低材料質(zhì)量，同時轉(zhuǎn)移移植過程繁瑣。這樣制備的材料無法廣泛應(yīng)用于電力電子領(lǐng)域甚至是發(fā)光領(lǐng)域。此外，傳統(tǒng)的二硫化鉬材料生長需要在Si襯底上首先制備氧化物緩沖層(如氧化硅)，再在其上生長二硫化鉬。將通過這種方法制得的二硫化鉬薄膜應(yīng)用于電子元器件時，其中間的氧化物緩沖層會對器件的電學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生不可控的影響，無法滿足電子元器件的要求。
[0004]因此，現(xiàn)有技術(shù)存在缺陷，需要改進。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種二硫化鉬薄膜及其制備方法，旨在改善二硫化鉬薄膜的制備過程，提高所制得的二硫化鉬薄膜的性能。
[0006]本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，一種二硫化鉬薄膜的制備方法，以藍寶石為襯底，使用CVD法在所述襯底表面生成MoS2薄膜;所述生成MoS2薄膜的過程為:以硫粉和MoO3為原料、高純氬氣為載流氣體，在所述襯底上沉積MoS2薄膜。
[0007]進一步地，所述襯底在使用之前先進行清洗，所述清洗過程為:將所述襯底依次進行丙酮超聲清洗、乙醇超聲清洗、硫酸和硝酸混合液清洗、鹽酸和雙氧水混合液清洗、氫氟酸溶液清洗。
[0008]進一步地，所述生成MoS2薄膜的反應(yīng)溫度為650?900°C，反應(yīng)時間為5?10分鐘。
[0009]進一步地，所述M0S2薄膜的層數(shù)為單層，所述硫粉和M0O3的質(zhì)量比為40:1。
[0010]進一步地，所述MoS2薄膜的層數(shù)為雙層，所述硫粉和MoO3的質(zhì)量比為20:1。
[0011]進一步地，所述MoS2薄膜的層數(shù)為大于等于三層，所述硫粉和MoO3的質(zhì)量比為8?
10:1ο
[0012]本發(fā)明還提供了一種二硫化鉬薄膜，采用上述所述的制備方法制成。
[0013]進一步地，所述M0S2薄膜的每一層厚度為0.7?0.8nm。
[OOM]進一步地，所述M0S2薄膜的單層薄膜的能帶帶隙為1.82eV。
[0015]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果在于:本發(fā)明提供的二硫化鉬薄膜的制備方法，以藍寶石為襯底，有效結(jié)合了藍寶石本身的特性，保證了硫化鉬材料與襯底材料之間的結(jié)合力，使轉(zhuǎn)移過程中不會引入額外的缺陷，提高了制得的MoS2薄膜的質(zhì)量;再通過調(diào)整制備過程中的各反應(yīng)參數(shù)，進一步提高了制得的MoS2薄膜的質(zhì)量。此外，通過調(diào)整原料質(zhì)量比，控制了所制得的MoS2薄膜的層數(shù)。本發(fā)明提供的二硫化鉬薄膜的制備方法，過程簡單，便于工業(yè)化生產(chǎn)。本發(fā)明提供的二硫化鉬薄膜的制備方法，所制得的MoS2薄膜含雜質(zhì)少，質(zhì)量高，可以滿足電力電子領(lǐng)域和發(fā)光領(lǐng)域?qū)o機納米膜材料的質(zhì)量要求。
【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明實施例制備的二硫化鉬薄膜的拉曼光譜儀的測試結(jié)果圖。
【具體實施方式】
[0017]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0018]本發(fā)明提供的二硫化鉬薄膜的制備方法，以藍寶石為襯底，有效結(jié)合了二硫化鉬薄膜和藍寶石的特有性質(zhì)。藍寶石的主要成分為Al2O3,其作為襯底具有以下優(yōu)點:一是其生產(chǎn)技術(shù)成熟，質(zhì)量好且價格低廉;二是藍寶石的熱穩(wěn)定性很好，能夠運用在高溫生長過程中；三是藍寶石的機械強度高，便于清洗和處理；四是藍寶石的晶格常數(shù)和二硫化鉬接近，可以減少因晶格失配帶來的位錯。
[0019]本發(fā)明提供的二硫化鉬薄膜的制備方法，過程如下:
[0020]以藍寶石為襯底，使用CVD法在所述襯底表面生成MoS2薄膜；
[0021]所述生成MoS2薄膜的過程為:以硫粉和MoO3為原料、高純氬氣為載流氣體，在所述襯底上沉積MoS2薄膜。
[0022]具體地，所述襯底在使用之前先進行清洗，所述清洗過程為:將所述襯底依次進行丙酮超聲清洗、乙醇超聲清洗、硫酸和硝酸混合液清洗、鹽酸和雙氧水混合液清洗、氫氟酸溶液清洗。
[0023]具體地，所述丙酮超聲清洗中超聲頻率為45?50KHZ;所述乙醇超聲清洗中超聲頻率為50?55KHz。所述硫酸和硝酸混合液清洗中，硫酸與硝酸的體積比為1:1，其中硫酸的濃度為98%，硝酸的濃度為98%。所述鹽酸和雙氧水混合液清洗為鹽酸、雙氧水、水混合物清洗，其中鹽酸的濃度為98 %，鹽酸、雙氧水、水的體積比為3:1:1ο所述氫氟酸清洗中，氫氟酸溶液由氫氟酸與水按體積比1:20配制而成，其中氫氟酸的濃度為35?40%。上述的所述各清洗過程結(jié)束之后均用去離子水清洗3?5次。
[0024]具體地，所述生成MoS2薄膜的過程為:利用CVD法，以硫粉和MoO3為原料、高純氬氣為載流氣體，在所述襯底上沉積MoS2薄膜。過程中的反應(yīng)溫度為650?900°C，反應(yīng)時間為5?1分鐘;優(yōu)選反應(yīng)溫度750 0C，反應(yīng)時間6分鐘。
[0025]具體地，通過調(diào)整原料硫粉和Μοθ3的質(zhì)量比可以控制所制得的Μοθ3薄膜的層數(shù)。所述硫粉和MoO3的質(zhì)量比為40:1時，制得的MoS2薄膜的層數(shù)為單層;所述硫粉和MoO3的質(zhì)量比為20:1，制得的MoS2薄膜的層數(shù)為雙層;所述硫粉和MoO3的質(zhì)量比為8?10:1，優(yōu)選10:1，制得的MoS2薄膜的層數(shù)為大于等于三層。
[0026]按照本發(fā)明的技術(shù)方案制備二硫化鉬薄膜，所制得的MoS2薄膜，其結(jié)構(gòu)類似石墨烯和六方氮化硼。采用光學(xué)顯微鏡、激光拉曼光譜儀、AFM(原子力顯微鏡)、SEM(掃描電子顯微鏡)以及EDS(能譜儀)來表征產(chǎn)品。結(jié)果顯示:本發(fā)明制備的少數(shù)層的MoS2可以在光學(xué)顯微鏡下成像，并被直接觀察到。使用激光拉曼光譜儀進行表征，隨著原子層數(shù)的減少，MoS2拉曼振動模式E12g*生藍移Alg發(fā)生紅移。兩個振動模式將朝著相互靠近的方向偏移，可以通過測量這兩個振動模式的間距來直接地判斷硫化鉬的層數(shù)，單層硫化鉬兩個振動模式的間距為18?20cm—I雙層硫化鉬兩個振動模式的間距為20?22cm—I三層或大于三層硫化鉬兩個振動模式的間距大于22cm—、據(jù)此可以鑒別MoS2的層數(shù)。同時我們也使用激光拉曼光譜儀對樣品薄膜進行熒光掃描(PL mapping)，根據(jù)不同厚度的晶體薄膜發(fā)光性質(zhì)不同表征薄膜形狀以及厚度。通過AFM準確測量薄膜厚度以及表面形貌，通過SEM描繪表面形態(tài)以及EDS分析薄膜主要成分。
?0027] 具體地，所制得的M0S2薄膜的每一層厚度為0.7?0.8nm。所述M0S2薄膜的單層薄膜的能帶帶隙為1.82eV。
[0028]由本發(fā)明的技術(shù)方案所制備的MoS2薄膜的質(zhì)量極高。因此，在藍寶石襯底上生長高質(zhì)量的二硫化鉬會在光學(xué)和電力電子領(lǐng)域產(chǎn)生非常重要的影響。
[0029]此外，按照本發(fā)明的制備方法在藍寶石襯底上生長硫化鎢，硫化鉿以及硫化鈦，也可以取得顯著的進步效果。
[0030]實施例1
[0031 ] 一、對藍寶石襯底進行清洗，清洗過程如下:
[0032]1、丙酮超聲清洗，去離子水清洗；
[0033]2、乙醇超聲清洗，去離子水清洗；
[0034]3、硫酸:硝酸=1:1在800C煮數(shù)分鐘，去離子水沖洗；
[0035]4、鹽酸:雙氧水:水=3:1:1，輕搖數(shù)分鐘，去離子水沖凈；
[0036]5、氫氟酸:水=1:20，輕搖數(shù)分鐘，去離子水沖凈；
[0037]6、去離子水燒杯中沖洗數(shù)遍，流水沖洗。
[0038]二、以硫粉和Mo03(99.9%,分析純)為硫源和鉬源，高純氬氣為載流氣體，用CVD法在藍寶石上沉積制備MoS2薄膜。其中生長溫度為750°C，壓強為常壓，硫源質(zhì)量為0.75g，鉬源質(zhì)量為0.08g。
[0039]具體過程為:將清洗好的材料放入CVD設(shè)備中生長硫化鉬材料，把硫粉和MoO3的蒸氣及高純氬氣弓I入反應(yīng)室，在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成二硫化鉬薄膜。
[0040]所制得的二硫化鉬薄膜的層數(shù)為三層，每一層薄膜的厚度為0.8nm。所制得的MoS2薄膜含雜質(zhì)少，質(zhì)量高，可以滿足電力電子領(lǐng)域?qū)o機納米膜材料的質(zhì)量要求。
[0041 ] 實施例2
[0042]—.對藍寶石襯底進行清洗，清洗過程如下:
[0043]1、丙酮超聲清洗，去離子水清洗；
[0044]2、乙醇超聲清洗，去離子水清洗；
[0045]3、硫酸:硝酸=1:1在800C煮數(shù)分鐘，去離子水沖洗；
[0046]4、鹽酸:雙氧水:水=3:1:1，輕搖數(shù)分鐘，去離子水沖凈；
[0047]5、氫氟酸:水=1:20，輕搖數(shù)分鐘，去離子水沖凈；
[0048]6、去離子水燒杯中沖洗數(shù)遍，流水沖洗。
[0049]二、以硫粉和Mo03(99.9%,分析純)為硫源和鉬源，高純氬氣為載流氣體，用CVD法在藍寶石上沉積制備MoS2薄膜。其中生長溫度為750°C，壓強為常壓，硫源質(zhì)量為0.Sg，鉬源質(zhì)量為0.02g。
[0050]具體過程為:將清洗好的材料放入CVD設(shè)備中生長硫化鉬材料，把硫粉和MoO3的蒸氣及高純氬氣弓I入反應(yīng)室，在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成二硫化鉬薄膜。
[0051]所制得的二硫化鉬薄膜的層數(shù)為單層，單層薄膜的厚度為0.7nm。檢測其性能，結(jié)果顯示:所述單層薄膜的能帶帶隙為1.82eV。所制得的MoS2薄膜含雜質(zhì)少，質(zhì)量高，可以滿足發(fā)光領(lǐng)域?qū)o機納米膜材料的質(zhì)量要求。
[0052]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種二硫化鉬薄膜的制備方法，其特征在于，以藍寶石為襯底，使用CVD法在所述襯底表面生成MoS2薄膜;所述生成MoS2薄膜的過程為:以硫粉和MoO3為原料、高純氬氣為載流氣體，在所述襯底上沉積MoS2薄膜。2.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述襯底在使用之前先進行清洗，所述清洗過程為:將所述襯底依次進行丙酮超聲清洗、乙醇超聲清洗、硫酸和硝酸混合液清洗、鹽酸和雙氧水混合液清洗、氫氟酸溶液清洗。3.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述生成MoS2薄膜的反應(yīng)溫度為650?900 °C，反應(yīng)時間為5?10分鐘。4.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述MoS2薄膜的層數(shù)為單層，所述硫粉和MoO3的質(zhì)量比為40:1。5.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述MoS2薄膜的層數(shù)為雙層，所述硫粉和MoO3的質(zhì)量比為20:1。6.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述MoS2薄膜的層數(shù)為大于等于三層，所述硫粉和MoO3的質(zhì)量比為8?10:1。7.—種二硫化鉬薄膜，其特征在于，采用權(quán)利要求1?6任意一項所述的制備方法制成。8.如權(quán)利要求7所述的二硫化鉬薄膜，其特征在于，所述MoS2薄膜的每一層厚度為0.7?0.8nmo9.如權(quán)利要求7所述的二硫化鉬薄膜，其特征在于，所述MoS2薄膜的單層薄膜的能帶帶隙為1.82eV。
【文檔編號】C30B25/00GK105970296SQ201610481734
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年6月27日
【發(fā)明人】劉新科, 何佳鑄, 李奎龍, 陳樂 , 何祝兵, 俞文杰, 呂有明, 韓舜, 曹培江, 柳文軍, 曾玉祥, 賈芳, 朱德亮, 洪家偉
【申請人】深圳大學(xué)