專利名稱：一種二硫化鉬薄膜材料的制備方法
技術領域：
本發明屬于納米材料制備技術領域，特別是一種二硫化鑰薄膜材料的制備方法。
背景技術：
二硫化鑰(MoS2)是具有一種抗磁性及半導體性質的硫屬化合物材料，屬于六方晶系，類似于石墨的層狀結構，其層內是很強的共價鍵，而層間則是較弱的范德華力，層與層很容易剝離，具有良好的各向異性。二硫化鑰等過渡金屬二硫化物由于獨特的性質使其在催化劑、潤滑劑、高能電池和光敏材料等方面具有廣泛應用。納米結構材料具有獨特的微觀結構和奇異的物理化學性質，目前已成為材料領域研究的熱點之一。納米結構的MoS2在許多性能上得到進一步提升，突出表現在以下幾個方面:比表面積大、吸附能力強、反應活性高，其催化性能尤其是催化加氫脫硫的性能更強，可用來制備特殊催化材料和忙氣材料，參見:Inorganic nanotubesand fullerene-like materials,R.Tenne, Nature Nanotech., 2006, I, 103-111 ； 納米MoS2薄層的能帶差接近1.78eV，與光的能量相匹配，在光電池材料上有應用前景，參見:Photoluminescence from chemically exfoliated MoS2, G.Eda, H.Yamaguchi, D.Voiry, et al, Nano Lett.，2011，11，5111-5116 ；MoS2類石墨結構及層間弱的范德華力有利于鋰的嵌入和脫出，不同形貌的MoS2如納米管、納米球等曾被用于鋰離子電池研究，參見:Exfoliated MoS2nanocomposite as an anode material for lithium ion batteries, J.Xiao, D.Choi, L.Cosimbescu, et al, Chem.Mater.，2010，22，4522-4524 ；隨著 MoS2 的粒徑變小，它在摩擦材料表面的附著性與覆蓋程度都明顯提高，抗磨、減摩性能也得到成倍提高，參見:Two_dimensional nanosheets produced by liquid exfoliation of layeredmaterials, J.N.Coleman, M.Lotya, A.0，Neill, et al, Science, 2011, 331, 568-571。在空間技術、超高真空或汽 車傳動等液體潤滑劑無法使用的環境下有著極大的科學重要性。納米薄膜、納米管、納米晶等結構納米材料的制備是實現這些材料優異性能的基礎。迄今為止，人們已在MoS2納米材料的合成上進行了大量研究，主要有高溫固相反應、熱分解法、高溫氣固反應、氣相沉積法、水熱法等，其中化學氣相沉積法是制備MoS2納米薄膜的主要手段，但存在成膜溫度高、沉積速率低、參加沉積的反應源和反應后的余氣易燃、易爆或有毒、需要防止環境污染等缺點，同時設備往往還要有耐腐蝕的要求。鑒于MoS2薄膜在光電池、鋰電池、固體潤滑劑和其他方面的潛在應用，MoS2薄膜材料日益受到人們的重視，如何快速、可控制備MoS2納米薄膜成為制約其廣泛應用的條件之一。
發明內容
本發明的目的在于針對上述現有技術存在的不足，提供一種二硫化鑰薄膜材料的制備方法，該制備方法簡單快速、薄膜便于控制，為其在光電池、鋰電池、固體潤滑劑和其他方面的廣泛應用提供了可能。本發明的技術方案:
一種二硫化鑰薄膜材料的制備方法，以MoS2靶材為原料，在氬氣和硫化氫混合氣體環境中，通過磁控濺射法在基底上制備MoS2薄膜，制備步驟如下:I)在磁控濺射腔體內樣品位置安裝清洗好的基底，再安裝MoS2靶材，靶材的純度大于99.9%,祀材指向樣品位，祀材與基底的距離為3-10cm ；2)對腔體本底抽真空至1.0X KT3Pa以下，向腔體中通入純度為99.99%以上的Ar氣，在基體電流密度為3mA/cm2、基體偏壓為-600V條件下濺射清洗好的基底IOmin ；3)向腔體中通入純度為99.99%以上的Ar氣-H2S混合氣，調節濺射腔室內氣壓為0.1-10.0Pa，使用射頻磁控濺射模式在基底上濺射，基底溫度為25-300°C，基底轉速為10-30r/min，射頻磁控濺射的工藝參數:電源的電流為100_350mA，電壓為500-1500V，濺射時間為5-180min，二硫化鑰薄膜材料的厚度為0.1-10.0ym ；4)濺射完成后，自然冷卻至25°C，即可制得二硫化鑰薄膜材料。所述基底為Mo網/片、單晶硅Si片、Al網/片、Ni網/片、銅網/片、不銹鋼網/片或導電玻璃。所述Ar氣-H2S混合氣中Ar氣的體積百分比為85_95%，流量為10-200sccm。本發明的優點是:通過在磁控濺射技術使用Ar氣-H2S混合氣和基底加熱原位退火方式，可以保證MoS2薄膜實現均勻沉積并且S/Mo原子比保持在2:1，增加濺射時間可以有效增加厚度，提高MoS2納米薄膜產量；該方法簡單快速，制備工藝簡單，厚度可控，方法薄膜便于控制，為其在光電池、鋰電池、固體潤滑劑和其他方面的廣泛應用提供了可能。
圖1為MoS2薄膜材料的XRD圖。圖2為MoS2薄膜材料的SEM圖。圖3為MoS2薄膜材料的斷層SEM圖。圖4為MoS2薄膜材料的Raman圖。
具體實施例方式實施例1:一種二硫化鑰薄膜材料的制備方法，以MoS2靶材為原料，在氬氣和硫化氫混合氣體環境中，通過磁控濺射法在基底上制備MoS2薄膜，制備步驟如下:I)在磁控濺射腔體內樣品位置安裝清洗好的基底不銹鋼片，MoS2靶材的純度大于99.9%,祀材指向樣品位,祀材與基底的距離為3.6cm ；2)對腔體本底抽真空至1.0X KT3Pa以下，向腔體中通入純度為99.99%以上的Ar氣，在基體電流密度為2mA/cm2，基體偏壓為-600V條件下濺射清洗不銹鋼片IOmin ；3)向腔體中通入純度為99.99%以上的Ar氣-H2S混合氣，混合氣中Ar氣的體積百分比為95%，流量為lOsccm，調節濺射腔室內氣壓為0.15Pa，基底溫度為300°C，基底轉速為25r/min，關閉靶上的擋板，利用射頻濺射電源在靶材上施加600V電壓，電流控制在0.10A，起輝后利用自濺射方式清洗靶 材表面，自濺射時間達到5min之后，開啟靶的擋板，沉積時間為15min，薄膜厚度為50nm，關閉擋板，并將靶的功率降低為零；4)濺射完成后，自然冷卻至25°C，即可制得二硫化鑰薄膜材料。
圖1為實施例1中所制備的MoS2薄膜材料的XRD圖，在衍射譜中除有(002)基面的衍射峰外，還出現了(100)、(110)和(103)面取向的衍射峰，說明在形成的MoS2薄膜中，
(002)基面垂直于基體表面或(100)、(110)面平行于基體表面。實施例2:一種二硫化鑰薄膜材料的制備方法，制備步驟如下:I)在磁控濺射腔體內樣品位置安裝清洗好的鑰片基底，MoS2-材的純度大于99.9%,革巴材指向樣品位,祀材與基底的距離為6.5cm ；2)對腔體本底抽真空至1.0X KT3Pa以下，向腔體中通入純度為99.99%以上的Ar氣，在基體電流密度為3mA/cm2，基體偏壓為-600V條件下濺射清洗鑰片IOmin ；3)向腔體中通入純度為99.99%以上的Ar氣-H2S混合氣，混合氣中Ar氣的體積百分比為90%，流量為13SCCm，調節濺射腔室內氣壓為0.2Pa，基底溫度為70°C，基底轉速為20r/min，關閉靶上的擋板，利用直流濺射電源在靶材上施加600V電壓，電流控制在0.12A，起輝后利用自濺射方式清洗靶材表面，自濺射時間達到5min之后，開啟靶的擋板，沉積時間為80min，薄膜厚度為120nm，關閉擋板，并將靶的功率降低為零；4)濺射完成后，自然冷卻至25°C，即可制得二硫化鑰薄膜材料。圖2為實施例2中所制備的MoS2薄膜材料的SEM圖，薄膜由致密、細小的納米顆粒組成(a)，放大后發現整體呈疏松的針狀或蠕蟲狀(b)，說明薄膜主要是按S-Mo-S層狀結構方式生長的，但隨著薄膜厚度的增加(沉積時間的延長)，薄膜表面顆粒度增大，(100)、(110)晶面取向的成分也 逐漸增大，造成整體呈針狀或蠕蟲狀的特征。實施例3:一種二硫化鑰薄膜材料的制備方法，步驟如下:I)在磁控濺射腔體內樣品位置安裝清洗好的Si (100)單晶硅基底，MoS2靶材的純度大于99.9%,祀材指向樣品位,祀材與基底的距離為5.0cm ；2)對腔體本底抽真空至1.0X KT3Pa以下，向腔體中通入純度為99.99%以上的Ar氣，在基體電流密度為2mA/cm2，基體偏壓為-600V條件下濺射清洗硅片IOmin ；3)向腔體中通入純度為99.99%以上的Ar氣-H2S混合氣，混合氣中Ar氣的體積百分比為85%，流量為13SCCm，調節濺射腔室內氣壓為1.6Pa，基底溫度為250°C，基底轉速為24r/min，關閉靶上的擋板，利用直流濺射電源在靶材上施加800V電壓，電流控制在0.01A,起輝后利用自濺射方式清洗靶材表面，自濺射時間達到5min之后，開啟靶的擋板，沉積時間為140min，薄膜厚度為496nm，關閉擋板，并將靶的功率降低為零；4)濺射完成后，自然冷卻至25°C，即可制得二硫化鑰薄膜材料。圖3為實施例3中所制備的MoS2薄膜材料的斷層SEM圖，薄膜由致密、細小的納米顆粒組成，薄膜主要是按S-Mo-S層狀結構方式生長的，但延長沉積時間，薄膜厚度增加，同時出現針狀或螺蟲狀特征，當沉積時間達到140min時,薄膜厚度達到496nm。圖4為實施
例3中所制備的MoS2薄膜的拉曼(Raman)圖,可以觀察到五丨8和Alg的拉曼特征峰Γ /原自
于分子層內硫原子相對于鑰原子的振動，而Alg源自于硫原子沿c軸的相對運動。由于MoS2
薄膜較厚，造成/紅移和Alg藍移。
權利要求
1.一種二硫化鑰薄膜材料的制備方法，其特征在于:以MoS2靶材為原料，在氬氣和硫化氫混合氣體環境中，通過磁控濺射法在基底上制備MoS2薄膜，制備步驟如下: 1)在磁控濺射腔體內樣品位置安裝清洗好的基底，再安裝MoS2靶材，靶材的純度大于99.9%，靶材指向樣品位，靶材與基底的距離為3-10cm ； 2)對腔體本底抽真空至1.0X KT3Pa以下，向腔體中通入純度為99.99%以上的Ar氣，在基體電流密度為3mA/cm2、基體偏壓為-600V條件下濺射清洗好的基底IOmin ；3)向腔體中通入純度為99.99%以上的Ar氣-H2S混合氣，調節濺射腔室內氣壓為0.1-10.0Pa，使用射頻磁控濺射模式在基底上濺射，基底溫度為25-300°C，基底轉速為10-30r/min，射頻磁控濺射的工藝參數:電源的電流為100_350mA，電壓為500-1500V，濺射時間為5-180min，二硫化鑰薄膜材料的厚度為0.1-10.0ym ； 4)濺射完成后，自然冷卻至25°C，即可制得二硫化鑰薄膜材料。
2.根據權利要求1所述二硫化鑰薄膜材料的制備方法，其特征在于:所述基底為Mo網/片、單晶硅Si片、Al網/片、Ni網/片、銅網/片、不銹鋼網/片或導電玻璃。
3.根據權利要求1所述二硫化鑰薄膜材料的制備方法，其特征在于:所述Ar氣-H2S混合氣中Ar氣的體積百分比為85-9 5%，流量為10-200sccm。
全文摘要
一種二硫化鉬薄膜材料的制備方法，以MoS2靶材為原料，在氬氣和硫化氫混合氣體環境中，通過磁控濺射法在基底上制備MoS2薄膜，二硫化鉬薄膜材料的厚度為0.1-10.0μm。本發明的優點是通過在磁控濺射技術使用Ar氣-H2S混合氣和基底加熱原位退火方式，可以保證MoS2薄膜實現均勻沉積并且S/Mo原子比保持在2∶1，增加濺射時間可以有效增加厚度，提高MoS2納米薄膜產量；該方法簡單快速，制備工藝簡單，厚度可控，方法薄膜便于控制，為其在光電池、鋰電池、固體潤滑劑和其他方面的廣泛應用提供了可能。
文檔編號C23C14/35GK103205724SQ201310142768
公開日2013年7月17日 申請日期2013年4月23日 優先權日2013年4月23日
發明者陶占良, 王麗秀, 郭爽, 陳軍, 李海霞, 程方益, 梁靜 申請人:南開大學