一种薄膜制备方法及相应的二硫化钼薄膜和光电探测器技术

本发明专利技术公开了一种薄膜制备方法、MoS2薄膜和光电探测器，所述方法利用激光脉冲轰击靶材，使靶材材料以等离子体的方式溅射出来，进而沉积在衬底表面，并通过原子间作用力相互吸附进而形成薄膜。所述薄膜优选为层状过渡金属二硫族化合物薄膜，特别是MoS2薄膜，通过控制所述激光脉冲的数目对薄膜的层数进行控制。本发明专利技术能够制备大面积、厚度可控的MoS2薄膜，利用MoS2薄膜制备的光电探测器具有良好的输出特性，光电响应也十分明显。

【技术实现步骤摘要】
一种薄膜制备方法及相应的二硫化钼薄膜和光电探测器
本专利技术涉及光电子器件应用领域，特别是涉及一种利用激光脉冲沉积方法制作二硫化钼(MoS2)薄膜及其制备方法，以及应用该薄膜的光电探测器。
技术介绍
二维材料是一种很有潜力的材料，其定义为一个原子层厚度、层状的晶体薄层，层与层之间由范德瓦尔兹力相互作用。自从曼切斯特大学Geim等人开创性的通过机械剥离获得的石墨烯，并发现其具有有趣的力学和电学性质，引起了人们的广泛关注。然而，尽管其具有奇特的性质和丰富的基础物理学性质，但由于没有带隙，阻碍了石墨烯在晶体管器件方向的潜在应用。因此，研究人员开发了多种新的二维材料，如层状过渡金属二硫族化合物(TMD)MoS2、MoSe2、WS2和WSe2。在所有的TMD中，MoS2是最令人感兴趣的一个，无论是在其基础物理学方面，还是在下一代电子和光电子器件中的潜在应用方面。MoS2是通过层间弱范德华力连接的层状二维材料，Mo和S原子之间具有强烈的层内共价键。与石墨烯不同，MoS2是一种半导体材料，且带隙随薄膜层数变化，通过减薄MoS2厚度，其带隙可以从块体的间接带隙1.2eV增大到直接带隙1.8eV。虽然MoS2被认为是克服石墨烯零带隙短板的有希望的候选者，为下一代电子应用提供了可能的解决方案，但如何生长大面积，高质量的MoS2二维材料仍然是一个挑战。传统的自上而下方法，如机械剥离和化学剥离会产生不规则形状的局部薄片，这对于大面积器件应用来说是不适用的。近年来，化学气相沉积(CVD)已被用于生产大面积MoS2少层/单层薄膜，但该技术需要800℃～1000℃的高温生长工艺。尽管目前CVD仍被认为是MoS2单层生长最有前景的技术之一，但人们仍希望开发一种能够在较低温度下生产大面积MoS2超薄膜的方法。激光脉冲沉积法(PLD)是利用准分子激光器发射出脉冲激光轰击样品的靶材，使靶材溅射出由原子、离子、分子、分子簇等构成的等离子体，并向外扩散形成等离子体羽辉到达衬底表面，在自身能量和衬底表面热能作用下扩散运动、重新组装成膜。激光脉冲沉积已被大量应用在生长各种氧化物、氮化物薄膜中。理论上，利用激光脉冲沉积法也能够获得大面积均匀、且层数可控的MoS2薄膜。
技术实现思路
本专利技术提供一种薄膜制作方法，旨在能够解决制作作为二维材料的MoS2薄膜的面积、厚度不可控的问题。为解决上述技术问题，本专利技术提出一种薄膜制备方法，包括：利用激光脉冲轰击靶材，使靶材材料以等离子体的方式溅射出来，进而沉积在衬底表面，并通过原子间作用力相互吸附进而形成薄膜。根据本专利技术的优选实施方式，所述薄膜为层状过渡金属二硫族化合物薄膜、所述靶材为过渡金属二硫族化合物。根据本专利技术的优选实施方式，通过控制所述激光脉冲的数目对薄膜的层数进行控制。根据本专利技术的优选实施方式，所述薄膜为MoS2薄膜、所述靶材为MoS2。根据本专利技术的优选实施方式，控制所述激光脉冲的数目，根据激光能量不同，以100～140个脉冲数/层为单位生长MoS2薄膜。根据本专利技术的优选实施方式，所述沉积过程在真空环境中进行。根据本专利技术的优选实施方式，所述衬底的温度在500～800℃之间。根据本专利技术的优选实施方式，所述激光功率设定为100～500mJ/脉冲。本专利技术还提一种光电探测器，包括衬底和形成在衬底上的光电薄膜和电极层，所述光电薄膜为上述薄膜制备方法制作的薄膜。根据本专利技术的优选实施方式，所述电极层为Au、Ti或Au/Ti多层结构。本专利技术的有益效果是：1.本专利技术能够按照各种需求有效的制备所需要的大面积、厚度可控的MoS2薄膜。本专利技术可根据激光脉冲数目对薄膜的层数进行控制。所以不同厚度的MoS2薄膜可以成功的生长出来。2.本专利技术的MoS2薄膜制备的光电探测器具有良好的输出特性，光电响应也十分明显(光电相应的时间非常短为96ms，对光非常敏感)。附图说明图1是通过本专利技术的一个实施例制作的MoS2薄膜光电探测器的结构示意图；图2是本专利技术的一个实施例的XRD图；图3是本专利技术的一个实施例的在波长为532纳米的激光照射下的Raman图；图4是本专利技术的一个实施例的将MoS2样品横截面的TEM图；图5A和图5B是本专利技术的一个实施例的不同厚度MoS2样品的光电响应曲线图；图6是本专利技术的一个实施例的单层MoS2样品对波长650纳米光照的电流随时间保持特性曲线图。具体实施方式总的来说，本专利技术提出一种制作均匀、大面积的薄膜的薄膜制作方法。本专利技术采用了一种激光脉冲沉积法(PLD)来生长大面积的二维材料薄膜，该方法是利用激光脉冲轰击靶材，使靶材材料以等离子体的方式溅射出来，进而沉积在高温的衬底表面，由于钼原子与硫原子在原子间作用力的作用下，相互吸附进而形成薄膜。、本专利技术的方法适用于层状过渡金属二硫族化合物(TMD)，包括MoS2、MoSe2、WS2和WSe2，优选为MoS2。本专利技术采用的衬底为半导体、玻璃等耐高温的材料，例如硅单晶衬底。本专利技术的方法要求可在高真空环境中进行，例如可以在10-5Pa下进行实验，高真空的真空度要求在1×10-3～1×10-5Pa。本专利技术需要对衬度进行加热，使其温度在500～800℃。本专利技术的激光功率设定为100～500mJ/脉冲，而激光脉冲的数目则由所要沉积的薄膜的厚度而定。此外，本专利技术还提出包括上述方法制作的薄膜的光电探测器，包括衬底、层状过渡金属二硫族化合物层和电极层。为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术作进一步的详细说明。图1是通过本专利技术的一个实施例制作的MoS2薄膜光电探测器的结构示意图。如图1所示，该实施例的光电探测器包括Si衬底1、MoS2薄膜层2和电极层3。在制作上述光电探测器时，进行如下步骤：S1、准备干净的衬底。通常需要对衬底进行清洗。该实施例中，将SiO2衬底放在酒精、丙酮、去离子水液体中超声清洗15分钟，需要按照丙酮、酒精、去离子水的顺序，取出样品后用N2气体吹干，等待接下来的使用。S2、在衬底上通过PLD方法沉积薄膜。将清洗干净的衬底放入沉积室，安置MoS2靶，调节靶与衬底的距离为5cm，背底真空调节至1×10-3Pa～1×10-5Pa，加热衬底到温度为500～800℃，设置激光能量为100～500mJ/pulse，脉冲的数目由所要沉积的薄膜的厚度而定。利用激光脉冲轰击靶材，使MoS2靶材材料以等离子体的方式溅射出来，进而沉积在SiO2衬底表面，由于分子间作用力的作用，分子相互吸附进而在SiO2衬底上形成MoS2薄膜。对MoS2薄膜的表征：该步骤后可对沉积有MoS2薄膜的衬底从沉积室取出以进行一系列测试和表征。例如进行X射线衍射测试(XRD)、拉曼测试(Raman)，X射线光电子能谱分析(XPS)、透射电子显微镜(TEM)等。因此可进一步验证薄膜的质量及厚度情况。图2是该实施例的XRD图。如图2所示，样品二硫化钼的衍射峰已经在图中显示出来，图中衍射峰的位置在14度左右，根据jade软件可知该衍射峰是(002)面的二硫化钼，图中没有发现其他的衍射峰，这表明我们的样品结晶情况良好。图3是该实施例的在波长为532纳米的激光照射下的Raman图。拉曼测试可以间接的了解薄膜的厚度，即利用以下公式进行计算：如图3所示，不同厚度的二硫化钼样品的拉曼图谱本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种薄膜制备方法，包括：利用激光脉冲轰击靶材，使靶材材料以等离子体的方式溅射出来，进而沉积在衬底表面，并通过原子间作用力相互吸附进而形成薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种薄膜制备方法，包括：利用激光脉冲轰击靶材，使靶材材料以等离子体的方式溅射出来，进而沉积在衬底表面，并通过原子间作用力相互吸附进而形成薄膜。2.如权利要求1所述的薄膜制备方法，其特征在于，所述薄膜为层状过渡金属二硫族化合物薄膜、所述靶材为过渡金属二硫族化合物。3.如权利要求2所述的薄膜制备方法，其特征在于，通过控制所述激光脉冲的数目对薄膜的层数进行控制。4.如权利要求3所述的薄膜制备方法，其特征在于，所述薄膜为MoS2薄膜、所述靶材为MoS2。5.如权利要求4所述的薄膜制备方法，其特征在于，控制所述激光脉冲的数目，随激光能量不同，以100～140...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴真平，焦雷，王月晖，陈政委，张晓，唐为华，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京,11