一种硫化钨薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术属于无机纳米膜材料技术领域，提供了一种硫化钨薄膜的制备方法，包括以下步骤：在硅衬底上镀上一层厚度为一个原子的W层；在所述W层上镀上一层厚度为一个原子的S层；以及在所述S层上镀上另一层厚度为一个原子的W层，获得WS2薄膜；所述WS2薄膜为W‑S‑W层状结构的单层薄膜。本发明专利技术还提供了一种硫化钨薄膜，采用上述的制备方法制成。由本发明专利技术的方法，可实现WS2薄膜的大面积制备；且制备的WS2薄膜的质量显著提高，这极大地改善了WS2薄膜的电学性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无机纳米膜材料
，尤其涉及一种硫化钨薄膜及其制备方法。
技术介绍
硫化钨(WS2)薄膜在结构和性能上跟硫化钼薄膜很相似，硫化钨薄膜也存在一个可调控的带隙。块状晶体WS2的带隙为1.3eV，其电子跃迁方式间接跃迁；当厚度为单层时，WS2的带隙可以达到2.1eV，且其电子跃迁方式转变为直接跃迁。因此，WS2薄膜独特的结构和优异的物理性能以及可调节的能带隙，使其在电子器件领域尤其在电学、光学、半导体领域具有十分重要应用前景的二维纳米材料。二硫化钨薄膜由于其特殊的光学和电学性能，使得其在光电子领域的应用很广，被广泛用于制造场效应晶体管、传感器、发光二极管、大容量电容存储器及锂电池电极。同时由于其特殊的晶体结构，他们还被广泛用于催化、减摩等领域。尽管WS2薄膜具有很大的应用潜力，但是现有技术中生长出单层WS2薄膜，其产品面积极小，致密性相对较差，硫空位较多，导致由其制备的薄膜的性能较差。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种硫化钨薄膜的制备方法，旨在获得一种更好的制备大面积高质量WS2薄膜的方法，弥补WS2薄膜在工艺制备方法上的不足。本专利技术是这样实现的，一种硫化钨薄膜的制备方法，包括以下步骤：步骤一：在硅衬底上镀上一层厚度为一个原子的W层；步骤二：在所述W层上镀上一层厚度为一个原子的S层；步骤三：在所述S层上镀上另一层厚度为一个原子的W层，获得WS2薄<br>膜；所述WS2薄膜为W-S-W层状结构的单层薄膜。进一步地，所述硅衬底的材质为SiO2。进一步地，所述硅衬底在使用之前先进行清洗，所述清洗过程为：对硅衬底依次进行丙酮超声浸泡、去离子水清洗、双氧水与浓硫酸混合液清洗及去离子水清洗。进一步地，所述丙酮超声浸泡中所用丙酮与所述硅衬底的质量比为20:1。进一步地，所述丙酮超声浸泡的频率为28kHz，功率为150W；清洗时间为10～25min。进一步地，所述双氧水与浓硫酸混合液清洗过程为：将所述硅衬底放入所述混合液中浸泡2h-3h。进一步地，所述双氧水与浓硫酸混合液配制过程为：将30％双氧水溶液加入到98％浓硫酸中，搅拌，溶液完全冷却后得混合液；所述双氧水溶液与浓硫酸溶液体积比为1:3。进一步地，所述步骤一和步骤三中镀上一层W原子层的所用技术包括ALD技术(原子层沉积技术)、脉冲激光沉积技术和磁控溅射技术中的一种。进一步地，所述步骤二中所用方法为CVD法(化学气相沉积法)。本专利技术还提供了一种硫化钨薄膜，采用所述的制备方法制成。进一步地，所述薄膜为一整块连续型，面积为1-3平方厘米。本专利技术与现有技术相比，有益效果在于：本专利技术先在硅衬底上使用ALD技术镀上一层W原子层，然后使用CVD法在其W原子层上生长一层S原子层，再使用ALD技术镀上一层W原子层，从而生长出W-S-W层状结构的单层WS2薄膜。由本专利技术的方法，可实现WS2薄膜的大面积制备；且制备的WS2薄膜的致密性好、硫空位少，这使得其质量显著提高，进而极大地改善了WS2薄膜的电学性能。附图说明图1是本专利技术中的ALD基本反应循环示意图。图2是本专利技术技术方案的工艺流程示意图。图3是光学显微镜和拉曼光谱仪的测试结果；其中图3(a)拉曼测试结果，图3(b)为PL测试结果。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。化学气相沉积法(CVD)：指把含有构成薄膜元素的气态反应剂或液态反应剂的蒸气及反应所需其它气体引入反应室，在衬底表面发生化学反应生成薄膜的过程。原子层沉积技术(ALD)：是一种可以将物质以单原子膜形式一层一层地镀在基底表面的方法。原子层沉积技术的基本过程是将气相前驱体脉冲交替地通入反应腔，在沉积基底上发生表面化学吸附反应，进而形成薄膜。原子层沉积与普通的化学沉积有相似之处。脉冲激光沉积技术(PLD)：是一种利用激光对物体进行轰击，然后将轰击出来的物质沉淀在不同的衬底上，得到沉淀或者薄膜的一种手段。磁控溅射技术：电子在电场的作用下加速飞向基片的过程中与氩原子发生碰撞，电离出大量的氩离子和电子，电子飞向基片。氩离子在电场的作用下加速轰击靶材，溅射出大量的靶材原子，呈中性的靶原子(或分子)沉积在基片上成膜。按照本专利技术的技术方案制备硫化钨薄膜，过程如下：首先准备SiO2硅衬底，并准备丙酮、去离子水、双氧水与浓硫酸混合液对其进行清洗。具体地，双氧水与浓硫酸混合液的配制过程为：将30％双氧水溶液加入到98％浓硫酸中，搅拌，溶液完全冷却后得混合液；所述双氧水溶液与浓硫酸溶液体积比为1:3。对SiO2硅衬底依次进行丙酮超声浸泡、去离子水清洗、双氧水与浓硫酸混合液清洗及去离子水清洗。具体地，先用丙酮超声清洗20min，其中所用丙酮与所述硅衬底的质量比为20:1；丙酮超声浸泡的频率为28kHz，功率为150W；然后用去离子水清洗干净；然后放入双氧水与浓硫酸混合液中浸泡2h-3h，然后用去离子水清洗干净。制备硫化钨薄膜，具体操作过程如下：步骤一，使用ALD技术在硅衬底上镀上一层W原子层：本过程使用ALD技术进行，ALD技术并非是一个连续的工艺过程，而是由一系列的半反应组成。图1为ALD基本反应循环示意图，它的每一个单位循环通常分为四步：首先，向反应腔通入前驱体A蒸气脉冲，在暴露的衬底表面发生化学吸附反应；然后通入清洗气体(通常为惰性气体，如高纯氮气或氩气)，将未被吸附的前驱体A蒸气及反应副产物带出反应腔；接着通入前驱体B蒸气脉冲，与表面吸附的A发生表面化学反应；最后再次通入清洗气体，将多余的B蒸气及反应副产物带出反应腔，理论上每进行一个循环，基底表面沉积一层单原子层。图1中的L为前驱体配位基。具体地，结合图1，A蒸气、B蒸气是ALD生长过程中的反应气体，对应本过程中生长钨原子层A蒸气为WF6，B蒸气Si2H6。对于本过程中生长钨原子层，该反应是基于Si-F键的极度稳定，从而发生典型的放热反应，完整的化学反应是WF6+Si2H6→W+SiF3H+2H2。该化学过程的摩尔反应焓变ΔH＝-181kcal/mol。六氟化钨和乙硅烷反应得到了非常光滑、纯净的钨膜，低温下生长速率近似理想的每循环为1分子层(每循环0.25nm)，且膜厚与循环数呈正比。说明两种前驱体之本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硫化钨薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：在硅衬底上镀上一层厚度为一个原子的W层；步骤二：在所述W层上镀上一层厚度为一个原子的S层；步骤三：在所述S层上镀上另一层厚度为一个原子的W层，获得WS2薄膜；所述WS2薄膜为W‑S‑W层状结构的单层薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种硫化钨薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：在硅衬底上镀上一层厚度为一个原子的W层；
步骤二：在所述W层上镀上一层厚度为一个原子的S层；
步骤三：在所述S层上镀上另一层厚度为一个原子的W层，获得WS2薄
膜；
所述WS2薄膜为W-S-W层状结构的单层薄膜。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述硅衬底的材质为SiO2。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述硅衬底在使用之前先
进行清洗，所述清洗过程为：对硅衬底依次进行丙酮超声浸泡、去离子水清洗、
双氧水与浓硫酸混合液清洗及去离子水清洗。
4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述丙酮超声浸泡中所用
丙酮与所述硅衬底的质量比为20:1；所述丙酮超声浸泡的频率为28kHz，功率
为150W；清洗时间为10～25min。
...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘新科，何佳铸，刘强，吕有明，俞文杰，韩舜，曹培江，柳文军，曾玉祥，贾芳，朱德亮，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：广东;44