一種二硫化鉬薄膜及其制備方法
【專利摘要】本發明適用于無機納米膜材料技術領域，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合力極強，所制得的MoS2薄膜的質量極高，可以滿足電學領域和光學領域對納米薄膜材料的質量要求。
【專利說明】
一種二硫化鉬薄膜及其制備方法
技術領域
[0001]本發明屬于無機納米膜材料技術領域，尤其涉及一種二硫化鉬薄膜及其制備方法。
【背景技術】
[0002]MoS2(二硫化鉬)薄膜在結構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變為直接躍迀。因此，MoS2薄膜獨特的結構和優異的物理性能以及可調節的能帶隙使其在電子器件領域比石墨烯更具有應用潛力，它將是一種在電學、光學、半導體領域具有十分重要應用前景的二維納米材料。憑借其納米尺寸的層狀結構，使得制造更小規格、更高能效半導體芯片成為可能，使其在納米電子元器件領域被廣泛應用。
[0003]傳統的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合力比較差，轉移過程中會引入額外的缺陷，降低材料質量，同時轉移移植過程繁瑣。這樣制備的材料無法廣泛應用于電力電子領域甚至是發光領域。此外，傳統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性質產生不可控的影響，無法滿足電子元器件的要求。
[0004]因此，現有技術存在缺陷，需要改進。
【發明內容】
[0005]本發明所要解決的技術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]本發明是這樣實現的，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薄膜的反應溫度為650?900°C，反應時間為5?10分鐘。
[0009]進一步地，所述M0S2薄膜的層數為單層，所述硫粉和M0O3的質量比為40:1。
[0010]進一步地，所述MoS2薄膜的層數為雙層，所述硫粉和MoO3的質量比為20:1。
[0011]進一步地，所述MoS2薄膜的層數為大于等于三層，所述硫粉和MoO3的質量比為8?
10:1ο
[0012]本發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]本發明與現有技術相比，有益效果在于:本發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合力，使轉移過程中不會引入額外的缺陷，提高了制得的MoS2薄膜的質量;再通過調整制備過程中的各反應參數，進一步提高了制得的MoS2薄膜的質量。此外，通過調整原料質量比，控制了所制得的MoS2薄膜的層數。本發明提供的二硫化鉬薄膜的制備方法，過程簡單，便于工業化生產。本發明提供的二硫化鉬薄膜的制備方法，所制得的MoS2薄膜含雜質少，質量高，可以滿足電力電子領域和發光領域對無機納米膜材料的質量要求。
【附圖說明】
[0016]圖1是本發明實施例制備的二硫化鉬薄膜的拉曼光譜儀的測試結果圖。
【具體實施方式】
[0017]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。
[0018]本發明提供的二硫化鉬薄膜的制備方法，以藍寶石為襯底，有效結合了二硫化鉬薄膜和藍寶石的特有性質。藍寶石的主要成分為Al2O3,其作為襯底具有以下優點:一是其生產技術成熟，質量好且價格低廉;二是藍寶石的熱穩定性很好，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和二硫化鉬接近，可以減少因晶格失配帶來的位錯。
[0019]本發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。過程中的反應溫度為650?900°C，反應時間為5?1分鐘;優選反應溫度750 0C，反應時間6分鐘。
[0025]具體地，通過調整原料硫粉和Μοθ3的質量比可以控制所制得的Μοθ3薄膜的層數。所述硫粉和MoO3的質量比為40:1時，制得的MoS2薄膜的層數為單層;所述硫粉和MoO3的質量比為20:1，制得的MoS2薄膜的層數為雙層;所述硫粉和MoO3的質量比為8?10:1，優選10:1，制得的MoS2薄膜的層數為大于等于三層。
[0026]按照本發明的技術方案制備二硫化鉬薄膜，所制得的MoS2薄膜，其結構類似石墨烯和六方氮化硼。采用光學顯微鏡、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)來表征產品。結果顯示:本發明制備的少數層的MoS2可以在光學顯微鏡下成像，并被直接觀察到。使用激光拉曼光譜儀進行表征，隨著原子層數的減少，MoS2拉曼振動模式E12g*生藍移Alg發生紅移。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，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—、據此可以鑒別MoS2的層數。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)，根據不同厚度的晶體薄膜發光性質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]由本發明的技術方案所制備的MoS2薄膜的質量極高。因此，在藍寶石襯底上生長高質量的二硫化鉬會在光學和電力電子領域產生非常重要的影響。
[0029]此外，按照本發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煮數分鐘，去離子水沖洗；
[0035]4、鹽酸:雙氧水:水=3:1:1，輕搖數分鐘，去離子水沖凈；
[0036]5、氫氟酸:水=1:20，輕搖數分鐘，去離子水沖凈；
[0037]6、去離子水燒杯中沖洗數遍，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，硫源質量為0.75g，鉬源質量為0.08g。
[0039]具體過程為:將清洗好的材料放入CVD設備中生長硫化鉬材料，把硫粉和MoO3的蒸氣及高純氬氣弓I入反應室，在襯底表面發生化學反應生成二硫化鉬薄膜。
[0040]所制得的二硫化鉬薄膜的層數為三層，每一層薄膜的厚度為0.8nm。所制得的MoS2薄膜含雜質少，質量高，可以滿足電力電子領域對無機納米膜材料的質量要求。
[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煮數分鐘，去離子水沖洗；
[0046]4、鹽酸:雙氧水:水=3:1:1，輕搖數分鐘，去離子水沖凈；
[0047]5、氫氟酸:水=1:20，輕搖數分鐘，去離子水沖凈；
[0048]6、去離子水燒杯中沖洗數遍，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，硫源質量為0.Sg，鉬源質量為0.02g。
[0050]具體過程為:將清洗好的材料放入CVD設備中生長硫化鉬材料，把硫粉和MoO3的蒸氣及高純氬氣弓I入反應室，在襯底表面發生化學反應生成二硫化鉬薄膜。
[0051]所制得的二硫化鉬薄膜的層數為單層，單層薄膜的厚度為0.7nm。檢測其性能，結果顯示:所述單層薄膜的能帶帶隙為1.82eV。所制得的MoS2薄膜含雜質少，質量高，可以滿足發光領域對無機納米膜材料的質量要求。
[0052]以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
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.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述生成MoS2薄膜的反應溫度為650?900 °C，反應時間為5?10分鐘。4.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述MoS2薄膜的層數為單層，所述硫粉和MoO3的質量比為40:1。5.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述MoS2薄膜的層數為雙層，所述硫粉和MoO3的質量比為20:1。6.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述MoS2薄膜的層數為大于等于三層，所述硫粉和MoO3的質量比為8?10:1。7.—種二硫化鉬薄膜，其特征在于，采用權利要求1?6任意一項所述的制備方法制成。8.如權利要求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