[發(fā)明專利]一種大面積硒摻雜二硫化鉬薄膜材料的制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610011797.4
• 申請日: 2016-01-06
• 公開（公告）號: CN105624643B
• 公開（公告）日: 2018-04-03
• 發(fā)明（設計）人: 封偉;岳玉琛;馮奕鈺
• 申請（專利權(quán)）人: 天津大學
• 主分類號: C23C16/30
• 分類號: C23C16/30;C23C16/02;C23C16/44
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所12201
• 代理人: 王麗

技術領域

本發(fā)明涉及一種大面積硒摻雜二硫化鉬薄膜材料的制備方法，屬于半導體薄膜材料制備領域。

背景技術

隨著近年來石墨烯等二維層狀納米材料研究熱潮的興起,一類新型的二維層狀化合物—類石墨烯過渡金屬硫?qū)倩衔?TDMCs)引起了物理、化學等眾多領域研究人員的廣泛關注。這一類材料的分子結(jié)構(gòu)通式表示為MX₂，其中M為過渡金屬，如Ⅳ族元素(Ti等)、Ⅴ族元素(V等)和Ⅵ族元素(Mo、W等)；X為硫?qū)倩铮鏢，Se和Te等；典型化合物有二硫化鉬(MoS₂)、二硒化鉬(MoSe₂)等。該類化合物都是由六方晶系的單層或多層組成的具有“三明治夾心”層狀結(jié)構(gòu)的二維晶體材料，其中一層金屬分子組成六角平面，被夾在兩層隔離開得硫?qū)俜肿又虚g，相鄰的原子層之間靠微弱的范德華作用力結(jié)合形成大塊的晶體；由于層與層之間堆垛方式和原子間的配位方式不同，過渡金屬硫?qū)倩衔锏木w按其對稱性可分為六角晶系和斜方晶系。

與具有二維層狀結(jié)構(gòu)的石墨烯不同，類石墨烯過渡金屬硫?qū)倩衔锞哂刑厥獾哪軒ЫY(jié)構(gòu)，相比于石墨烯的零能帶隙，該類化合物通常擁有1-1.9eV的自然帶隙能。單層二硫化鉬的能帶隙由于量子限域效應，達到1.9eV；而單層二硒化鉬的能帶隙達到1.5eV。由于其的大帶隙和相對較高的載流子遷移率其在光電材料領域擁有廣泛的應用。

為了提高類石墨烯過渡金屬硫?qū)倩衔镌诠怆娖骷男阅埽{(diào)節(jié)該材料的帶隙是一個重要的解決方案也是一個瓶頸，因為自然界中很少存在自然帶隙在1-1.9eV的天然礦石化合物，并能通過簡單的剝離插層方法得到。很多方式都能實現(xiàn)對二維層材料帶隙的調(diào)整，如化學摻雜、離子注入以及在材料表面引入官能團等。近來，理論計算和實驗研究都證明了可實現(xiàn)帶隙可調(diào)的二維層狀半導體材料的制備。化學氣相沉積方法和物理氣相沉積方法都能有效得通過改變硫元素的濃度制備出帶隙可調(diào)的單層硒摻雜二硫化鉬。

只有單層或少層才具有上述結(jié)構(gòu)的優(yōu)良光電方面的性能，因此首要且重要的任務是制備出單層或少層該種材料。近來文獻中所報道的硒摻雜二硫化鉬薄膜的面積基本都在微米級別，如中國科學科技大學向斌教授課題組制備的硒摻雜二硫化鉬薄膜的面積為300平方微米。但是再大面積的硒摻雜二硫化鉬薄膜沒有得到，因此需要研究更大面積的硒摻雜二硫化鉬薄膜，同時具有高質(zhì)量、均勻性好、不同摻雜濃度的單層的硒摻雜二硫化鉬薄膜材料；實現(xiàn)大量制備，可以達到工業(yè)大批量生產(chǎn)的要求。

本文采用化學氣相沉積法和雙溫區(qū)管式爐，以Si/SiO₂為基板，采用MoO₃作為鉬源，硫粉作為硫源，硒粒作為硒源，可以得到具有高質(zhì)量、均勻性好、單層的硒摻雜二硫化鉬薄膜材料。本方法制備的薄膜面積可以達到1000-1200平方微米，這么大面積的薄膜在國內(nèi)第一次合成出來，實屬罕見。該方法操作簡單，短時間內(nèi)即可完成，重復性好，可以實現(xiàn)大量制備，可以達到工業(yè)大批量生產(chǎn)的要求。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種大面積硒摻雜二硫化鉬薄膜材料的制備方法，通過化學氣相沉積法制得硒摻雜二硫化鉬薄膜材料，面積達到1000-1200平方微米，同時具有高質(zhì)量、單層性、均勻性好、結(jié)晶性好等優(yōu)點，該方法操作簡單，能耗少，已達到大規(guī)模生產(chǎn)的要求。

本發(fā)明是通過下述技術方案加以實現(xiàn)的，通過選用鉬源、硫源和硒源，在化學氣相沉積雙溫區(qū)管式爐中高溫低壓條件下發(fā)生化學反應，然后沉積到基片表面，最終生成硒摻雜二硫化鉬薄膜材料。

一種大面積硒摻雜二硫化鉬薄膜材料的制備方法，采用化學氣相沉積法和雙溫區(qū)管式爐，以Si/SiO₂為基板，采用MoO₃作為鉬源，硫粉作為硫源，硒粒作為硒源，得到面積為1000-1200平方微米的單層硒摻雜二硫化鉬薄膜材料。

所述基片是SiO₂/Si，分別在丙酮和異丙醇溶液中超聲的方式清洗去除基片表面的有機物質(zhì)雜質(zhì)，后用去離子水沖洗基片使之干凈，并用氮氣槍吹干。

化學氣相沉積法是：將SiO₂/Si基片置于盛有鉬源的瓷舟之上，并將該瓷舟置于雙溫區(qū)管式爐的下溫區(qū)；將盛有硫源和硒源的瓷舟置于雙溫區(qū)管式爐上溫區(qū)，其中硫源和硒源的質(zhì)量S:Se為0.25-4：1，并將雙溫區(qū)管式爐封裝起來。

將惰性氣體氬氣通入雙溫區(qū)管式爐，以來排凈雙溫區(qū)管式爐中的空氣，防止在高溫反應條件下雙溫區(qū)管式爐中的空氣影響硒摻雜二硫化鉬薄膜的生成和沉積。