一種在金屬基底上可控生長二維硫屬化合物原子級薄膜的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于二維薄膜制備領域，特別涉及一種化學氣相沉積制備原子級硫屬化合物薄膜的方法。
【背景技術】
[0002]自2004年石墨烯被發現以來，由于其具有優異的電學、力學、光學和熱學性能而備受關注。但是，本征態的石墨烯材料是一帶隙為零的半金屬，由其構筑的器件具有很高的漏電流，這嚴重限制了其在開關和邏輯器件方面的應用。自2011年以來，人們發現二維過渡金屬硫屬化合物，如硫化鉬(MoS2)、砸化鉬(MoSe2)、硫化鎢(WS2)、砸化鎢(WSe2)等，它們的結構與石墨烯類似，但是具有半導體特性受到了廣泛關注。例如二硫化鉬隨著厚度的減小，其帶隙從1.2eV增加到1.9eV，并且當厚度減小到單層時，其由間接帶隙半導體變成了直接帶隙半導體材料，發光效率也顯著提高。科學家發現，盡管單層硫化鉬的載流子迀移率比石墨烯小，但其電流的開關閉高達108，很適合于做半導體電子器件使用。因此，二維硫屬化合物半導體材料的出現給納電子器件領域帶來了新的希望。
[0003]目前，二維硫屬化合物原子級薄膜的制備主要有微機械剝離法、鉬化合物((NH4)2MoS2)的高溫分解法、金屬氧化物與硫源反應法等，這些方法產量低、可控性較差，通過化學氣相沉積法獲得的二維材料大多是微米級的不連續的三角狀結構，不易于大規模獲得高質量二維硫屬化合物原子級薄膜。采用金屬基底原位反應法，可以滿足規模化生產需要，是一種值得開發的技術。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是針對現有技術的缺陷，提供一種大面積連續制備硫屬化合物原子級薄膜的方法。
[0005]為了實現上述目的，本發明采用以下技術方案:一種在金屬基底上可控生長二維硫屬化合物原子級薄膜的方法，包括以下步驟:將金屬基底和反應源置于真空反應裝置中，抽真空，將反應源超過其熔點的溫度進行加熱使其揮發，通過載氣輸運到金屬基底處，在250?1000°C反應溫度下保持I?180min使金屬基底與反應源反應，獲得厚度可控的二維硫屬化合物原子級薄膜。
[0006]所述金屬基底采用鉬、鎢、鈮、鉭、鉑、鍺、鈦、鋯、錫、錸、銦或鉿制成。
[0007]所述反應源為硫、砸、碲的粉體，或者上述非金屬的氧化物或氫化物。
[0008]所述含硫反應源加熱溫度為100?300°C，含砸反應源加熱溫度為150?800°C，含碲反應源加熱溫度為250?1000°C。
[0009]所述載氣為氬氣、氫氣或兩者混合氣體，或者是氫化物氣體。
[0010]二維硫屬化合物原子級薄膜不限于二元材料，也包括通過對二元薄膜通過摻雜處理的三元、四元薄膜材料。
[0011]真空反應裝置也就是化學氣相沉積系統包括惰性氣體流量計、氫氣流量計、石英管、管式爐和加熱帶，石英管其中一段設置有加熱帶，另一段置于管式爐中，石英管的一側通過惰性氣體流量計、氫氣流量計分別與惰性氣體、氫氣氣瓶相連，石英管的另一側與玻璃容器相連，用真空栗油密封。
[0012]為了適合大規模生產需要，石英管和管式爐也可以換成一個具有較大空間的氣氛爐，其操作步驟與上述管式爐相同。
[0013]本發明采用化學氣相沉積法，在同質的金屬基底直接經過硫化、砸化、碲化可控生長出原子級薄膜，從而提供了一種制備大面積硫屬化合物薄膜的方法。
[0014]本方法對設備條件要求較低、操作流程簡單、產物質量高、可控性好且易于大面積制備，適合大規模生產。
[0015]本方法得到的產品可應用于多個技術領域，包括晶體管器件、傳感器和制動器。
【附圖說明】
[0016]圖1是本發明實施例采用的反應裝置的結構示意圖。
[0017]圖2是本發明實施例1所制備單層二硫化鉬薄膜的光學顯微鏡照片。
[0018]圖3是本發明實施例1所制備單層二硫化鉬薄膜的原子力顯微鏡照片(a)和拉曼光譜(b)。
[0019]圖4是本發明實施例2所制備少數層二硫化鉬薄膜的光學顯微鏡照片。
[0020]圖5是本發明實施例3所制備的少數層二砸化鉬的光學顯微鏡照片(a)和拉曼光譜⑻。
【具體實施方式】
[0021]以下結合附圖對本發明的優選實施例進行說明，應當理解，此處所描述的優選實施例僅用于說明和解釋本發明，并不用于限制本發明。此外應理解，在閱讀了本發明講授的內容之后，本領域技術人員可以對本發明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權利要求書所限定的范圍。
[0022]圖1是進行制備原子級硫屬化合物薄膜時的真空反應裝置的結構示意圖，如圖1所示，真空反應裝置也就是化學氣相沉積系統包括惰性氣體流量計、氫氣流量計、石英管、管式爐和加熱帶，石英管其中一段設置有加熱帶，另一段置于管式爐中，石英管的一側通過惰性氣體流量計、氫氣流量計分別與惰性氣體、氫氣氣瓶相連，石英管的另一側與玻璃容器相連，用真空栗油密封。
[0023]實施例1
一種化學氣相沉積制備原子級硫屬化合物薄膜的方法，包括以下制備步驟:
(1)將20微米厚的鉬箔基底首先在50SScm流量的氫氣環境下，在1400度下退火10小時以上；
(2)將退火之后的鉬箔剪裁成3.5X2.5cm2的小片放入石英管式爐中；
(3)稱量0.5克硫粉，放入石英管的前端，該處使用加熱帶加熱；
(4)將石英管兩端封閉進行抽真空20分鐘，排除管道中剩余的氧氣；
(5)然后將石英管一端用與硅膠管連接后，用真空栗油密封； (6)打開氬氣瓶閥門，對石英管中注入氬氣，使其流量為1sccm;
(7)打開管式爐爐溫控制開關，設定升溫速度為25攝氏度每分鐘，升溫至300攝氏度；
(8)打開加熱帶溫控開關對硫粉進行加熱，設定溫度為150攝氏度；
(9)保持加熱帶區的溫度10分鐘使硫粉充分熔融后，開啟管式爐爐溫控制開關使其升溫至600攝氏度；
(10)600攝氏度下反應進行I分鐘后，將氬氣流量計開至lOOsccm，迅速關掉加熱帶溫控開關，開啟爐膛，用風扇快速冷卻爐溫；
(11)等爐溫冷卻到室溫時，將反應后的金屬箔片從管式爐中取出；
(12)使用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)對生長的單層硫化鉬薄膜進行轉移到其它襯底上。
[0024]所制備單層二硫化鉬薄膜的光學顯微鏡照片見圖2，原子力顯微鏡照片和拉曼光譜見圖3。
[0025]實施例2
一種化學氣相沉積制備原子級硫屬化合物薄膜的方法，包括以下制備步驟:
(1)將20微米厚的鉬箔基底首先在50