一种垂直基底生长硒化钨纳米片薄膜材料的可控快速制备方法技术

本发明专利技术公开了一种垂直基底生长硒化钨纳米片薄膜材料的可控快速制备方法，该方法是在石英基底上通过直流磁控溅射钨薄膜，再利用快速硒化钨薄膜的方法制备垂直基底生长的WSe2纳米片薄膜；该方法简单、快速、低成本，可快速制备大面积垂直基底生长的WSe2纳米片薄膜材料，能满足电解制氢和电催化应用的需求。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了，该方法是在石英基底上通过直流磁控溅射钨薄膜，再利用快速硒化钨薄膜的方法制备垂直基底生长的WSe2纳米片薄膜；该方法简单、快速、低成本，可快速制备大面积垂直基底生长的WSe2纳米片薄膜材料，能满足电解制氢和电催化应用的需求。【专利说明】一种垂直基底生长砸化钨纳米片薄膜材料的可控快速制备 方法
本专利技术涉及一种硒化钨薄膜的制备方法，特别涉及一种垂直基底生长硒化钨纳米 片薄膜材料的可控快速制备方法，属于半导体材料

技术介绍
硒化钨(WSe2)是一种类石墨层状结构的半导体材料，以Se-W-Se密排六方紧密堆 积而成的WSe 2晶体依靠范德华力结合成WSe2材料。WSe2薄膜材料的禁带宽度为l_2eV，并且 对可见光吸收效率特别高OlOYnf 1)，可以作为太阳能电池的吸收层和光电化学电极材 料。一般WSe2多晶薄膜材料中存在两种织构:C轴丄基底生长织构（范德华平面平行于基底） 与C轴//基底生长织构（范德华平面垂直于基底），如图1所示。C轴//基底的织构（垂直基底 生长WSe 2纳米片）薄膜表面是由很多悬挂键组成，悬挂键表面会造成光生电子空穴的严重 复合，影响光电性能，但在电解制氢和电催化应用中，悬挂键表面是活性位点，增加C轴//基 底的织构度可以促进催化活性。 Jagcr-Waldau A等最先采用"软硒化法"制备出两种不同织构WSe2薄膜，其通过控 制硒化反应温度和射频溅射W薄膜的厚度来制备C轴//基底的WSe 2薄膜，但该工艺需要18-24小时的较长硒化时间，效率低下（Thin Solid Films, 1991,200(1) : 157-164.); Velazquez J M等利用物理气相传输法在钨箱上制备出了适合电解制氢的C轴//基底的薄 膜，但反应使用WSe2粉末和W0 2C12等昂贵原材料，且需要两天反应时间严重影响其推广应用 (Journal of Electroanalytical Chemistry,2014,716(3):45-48). 因而，开发一种简单、快捷、环境友好的方法来制备C轴//基底的WSe2薄膜迫在眉 睫。
技术实现思路
针对现有的制备垂直基底生长硒化钨纳米片薄膜材料的方法存在的缺陷，本专利技术 的目的是在于提供一种简单、快速、低成本制备垂直基底生长硒化钨纳米片薄膜的方法，该 方法可制备大面积垂直基底生长硒化钨纳米片薄膜材料，可以满足电解制氢和电催化应用 的需求。 为了实现上述技术目的，本专利技术的技术方案提供了一种垂直基底生长硒化钨纳米 片薄膜材料的可控快速制备方法，该方法包括以下步骤： 1)衬底置于磁控溅射室内后，将所述磁控溅射室抽真空至1.0Xl(T3Pa以下，以氩 气为工作气体，以钨靶材为溅射源，控制工作气体的压力在〇.9Pa~10.OPa范围内，进行直 流磁控溅射，在衬底表面生成钨薄膜； 2)在敞口容器内加入硒粉，将表面生成了钨薄膜的衬底盖在所述敞口容器上，且 衬底表面的钨薄膜面对所述敞口容器中的硒粉放置;再将所述敞口容器置于密闭容器内， 所述密闭容器置于真空度小于l〇Pa，温度为550°C~1000°C的条件下，进行热处理，冷却，即 得。 本专利技术的技术方案主要通过控制直流磁控溅射钨薄膜的工艺条件来调控前驱体 钨薄膜的微观结构，再利用快速硒化技术高效制备出垂直基底生长硒化钨纳米片薄膜(C轴 //基底的WSe 2薄膜），以满足电解制氢和电催化的应用要求。专利技术人通过大量研究发现：范 德华平面的方向性决定着旧62薄膜的生长织构，当范德华平面平行基底时，为C轴丄基底的 WSe 2薄膜，当范德华平面垂直基底时，为C轴//基底的WSe2薄膜。通过钨薄膜硒化法制备WSe2 薄膜过程中会引起钨薄膜明显的体积膨胀，主要膨胀原因是范德华平面和与平行的硒原子 层的插入，膨胀方向主要是沿着C轴方向。大量研究表明：控制工作气体的压力在0.9Pa~ 10.0 Pa范围内，进行直流磁控溅射时，在较高气压下，制备的钨薄膜微观结构较疏松，有利 于范德华平面和与其平行的硒原子层沿垂直基底方向插入W薄膜中，因而，高气压制备的W 薄膜有利于垂直方向的范德华平面为C轴//基底的WSe 2薄膜。 优选的方案，所述钨靶材与所述衬底之间的距离为3~20cm。 优选的方案，所述直流磁控溅射的功率为40W~150W，偏压为-200V~0V。较优选的方案，所述的直流磁控溅射时间为2~60min。 优选的方案，直流磁控溅射过程中衬底温度为室温~500°C。 优选的方案，热处理时间为5~60分钟。优选的方案，所述氩气的纯度不低于99.9%。优选的方案，所述钨靶材的纯度不小于99.99%。 优选的方案，本专利技术的石英衬底一般需采用丙酮及无水乙醇等进行超声清洗预处 理。 本专利技术采用的敞口容器一般采用刚玉材质敞口容器，一般采用刚玉坩埚。 本专利技术采用密闭容器一般也采用刚玉材质密闭容器，可以采用两个刚玉舟倒扣在 一起构成简单的密闭容器。 本专利技术的热处理过程一般在管式炉中实现，管式炉包括可抽真空的石英管。 相对现有技术，本专利技术的技术方案带来的有益效果： 本专利技术的技术方案可获得形貌规则、大面积的C轴//基底的WSe2薄膜。 本专利技术的技术方案在直流磁控溅射制备前驱体钨薄膜过程中，易于通过控制工作 气体压力在〇.9Pa~10.OPa范围内，实现WSe 2薄膜表面垂直片状晶体数量的调控，可以获得 不同应用要求的C轴//基底的WSe2薄膜。 本专利技术的C轴//基底的WSe2薄膜制备工艺具有简单、快速、成本低等特点，易于实 现大面积生产，满足工业化生产要求。【附图说明】 【图l】WSe2薄膜织构图； 【图2】快速硒化装置图及硒化过程；【图3】实施例1~3所得的WSe2薄膜的表面SEM图；【图4】实施例1~3所得的WSe2薄膜的的X射线衍射图谱。【具体实施方式】 以下实施例旨在进一步说明本
技术实现思路
，而不是限制本专利技术的保护范围。实施例1 本实施例包括以下步骤： (1)衬底处理 以25mmX 25mmX 1mm石英玻璃为衬底，依次放入丙酮和无水乙醇中超声处理 15min，而后浸泡在无水乙醇中，直接放入溅射室时用高纯氮气(99.999 % )吹干待用； (2)直流磁控溅射双层W薄膜 采用直径为60mm的高纯钨靶材(99.995% )，利用直流磁控溅射制备W薄膜。将磁控 溅射室的真空抽至小于等于4.1 Xl(T4Pa，靶材与衬底距离设置为15.3cm，基底温度室温，无 溅射偏压，溅射功率为120W，以高纯氩气（99.999% )为工作气体，将工作压力调至0.9Pa溅 射lOmin，制备W薄膜。 (3)快速硒化称取0.7g高纯硒粉，放入3mm刚玉坩埚中，将溅射有钨薄膜的一面倒扣在坩埚上， 将其放入两个倒扣在一起的，起一定密闭作用的刚玉舟内，而后将舟放入管式炉中。利用机 械栗将石英管真空抽至小于等于l.OPa。将滑轨炉在未有样品区域加热至600°C，而后将其 炉体推至样品区域快速加热样品，保温30分钟，加热结束，关闭电源，样品自然冷却至室温。 实施例2本实施例中步骤(2)第二层W薄膜的沉积的工作气压是2. OPa，其他实施条件和实 施例1相同。 实施例3本实施例包括以下步骤： (1)衬底处理 以25mm本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种垂直基底生长硒化钨纳米片薄膜材料的可控快速制备方法，其特征在于：包括以下步骤：1)衬底置于磁控溅射室内后，将所述磁控溅射室抽真空至1.0×10‑3Pa以下，以氩气为工作气体，以钨靶材为溅射源，控制工作气体的压力在0.9Pa～10.0Pa范围内，进行直流磁控溅射，在衬底表面生成钨薄膜；2)在敞口容器内加入硒粉，将表面生成了钨薄膜的衬底盖在所述敞口容器上，且衬底表面的钨薄膜面对所述敞口容器中的硒粉放置；再将所述敞口容器置于密闭容器内，所述密闭容器置于真空度小于10Pa，温度为550℃～1000℃的条件下，进行热处理，冷却，即得。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李红超，邹俭鹏，高迪，
申请(专利权)人：崇义章源钨业股份有限公司，中南大学，
类型：发明
国别省市：江西;36