一种利用微波等离子体化学气相沉积制备α相碳化钼晶体的方法技术

本发明专利技术属于二维晶体制备领域。一种利用微波等离子体化学气相沉积制备α相碳化钼晶体的方法，其特征在于包括如下步骤：1)将清洗后的硅片置于制备相碳化钼晶体的装置的腔体中，对腔体抽真空；2)向腔体内通入氢气，调节微波功率、氢气流量和气压，腔体内部气体吸收微波能量激发产生等离子体；3)使等离子体包裹硅片并对硅片加热；调节真空微调阀，使腔内气压保持在一定范围之内；4)待等离子体状态稳定，依次通入甲烷、六氟化钼，调节气体流量和配比；反应结束后，关闭微波源，待腔体冷却，取出样品，得到α相碳化钼晶体。该方法制备的碳化钼晶体的纯度较高，有利于研究其电学、超导等特性，所制得的样品表现出低温超导特性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于二维晶体制备领域，具体涉及一种微波等离子体化学气相沉积装置制备α相碳化钼晶体的方法。
技术介绍
随着石墨烯和类石墨烯二维材料的发现，二维材料因其独特的结构和复合形式，所表现出优异的性质而备受关注，当材料减薄到一定厚度时，会出现电子结构的变化，导致能带隙发生改变而改善电子跃迁方式。二维材料在电子光学器件，催化，电化学，光电探测等方面具有广泛的应用。过渡族金属碳化物(TMCs)，如碳化钼(Mo2C)是一类具有特殊性质和应用的材料，在晶体结构中，金属键和共价键的结合使材料表现出高强度，高化学稳定性，耐酸碱腐蚀，较高的电导和热导率等优异性质。近年来，对于碳化钼的研究已从制备工艺到复杂电子结构的讨论。据报道，碳化钼晶体在10K的温度下会出现超导转变，然而相关的研究结果不尽相同，其主要原因在于，碳化钼晶体的制备方法存在一定缺陷。传统的碳化钼晶体制备方法，大多数使用甲烷和氢气的混合气体还原钼的氧化物，产物为粉末状的碳化钼晶体，由于反应时间和反应程度难以把握，导致产物中含有石墨和无定性碳。然而，含碳化合物等杂质组分的存在将大大影响碳化钼的性能。虽然，使用不同的碳源物质，如二甲醚，丁烷等，可以有效减少碳化钼中的含碳杂质组分，但碳化钼和含碳组分的团聚，将影响碳化钼的比表面积和催化性能。因此，需要提供一种制备高质量碳化钼晶体的方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种利用微波等离子体化学气相沉积制备α相碳化钼晶体的方法，该方法制备的碳化钼晶体的纯度较高，有利于研究其电学、超导等特性。为实现上述目的，本专利技术所采取的技术方案是：一种利用微波等离子体化学气相沉积制备α相碳化钼晶体的方法，其特征在于包括如下步骤：1)将清洗后的硅片置于制备相碳化钼晶体的装置的腔体中，对腔体抽真空(至真空度为10-100Pa)；2)向腔体内通入氢气，调节微波功率、氢气流量和气压(氢气的气压)，腔体内部气体吸收微波能量激发产生等离子体；3)调节基片台高度，使等离子体包裹硅片并对硅片加热，温度由微波能量产生的热量决定；调节真空微调阀(真空微调阀设在真空管道上)，使腔内气压保持在一定范围之内；4)待等离子体状态稳定，依次通入甲烷、六氟化钼，调节气体流量和配比(甲烷、六氟化钼的体积配比为CH4:MoF6＝1:2)；反应结束后，关闭微波源，待腔体冷却，取出样品，得到α相碳化钼晶体。所述步骤1)中，使用乙醇、丙酮溶液对硅片进行超声清洗。所述步骤1)中，制备相碳化钼晶体的装置，包括基片台1、金属法兰2、腔体3；基片台1位于腔体3内，基片台1安装在升降机构上，腔体3上设有进气口4、真空泵抽气口5，真空泵抽气口5由真空管道与真空泵相连，真空管道上设有真空微调阀；腔体3的中部设有石英玻璃管7，腔体3上固定有上下金属法兰，上金属法兰位于石英玻璃管7的上方，下金属法兰位于石英玻璃管7的下方，腔体3由上下金属法兰2与压缩矩形波导相连，压缩矩形波导6与微波发生器相连。所述步骤2)中，微波功率为800-1200W，氢气流量为100-400sccm，工作气压为10kPa。所述步骤3)中，腔内气压为10-25kPa。所述步骤4)中，甲烷的流量0.5-2.0sccm，六氟化钼的流量1-4sccm，反应时间6-24h。本专利技术首次采用微波等离子体化学气相沉积法(MPCVD)，利用甲烷/氢气混合气体还原六氟化钼，从而制备高质量碳化钼晶体(本专利技术首次利用六氟化钼作为钼源，通过微波激发反应气体产生等离子体，合成碳化钼晶体，在硅片上生长碳化钼晶体)。微波等离子体化学气相沉积法使用高频微波作为能量源，使得气相组分能够获得较高能量，从而增加气相组分离化几率。该方法具有微波功率可调，沉积气压较低，源物质摄入量便于控制等优点。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：采用微波等离子体对气相组分进行还原，由于微波能量密度大，功率高，使气体较容易离解，且基团具有较高活性。此外，等离子体覆盖在基片上方，给基片提供了足够的温度，等离子体的自加热模式，促进了基团在硅片表面的沉积。通过该方法制备的碳化钼为纯相的α相Mo2C，α相碳化钼晶体的质量纯度≧95％，该样品有利于电学、光学等性能的测试和表征，所制得的样品表现出低温超导特性，在温度为6.83K出现了超导转变。附图说明图1为本专利技术制备的碳化钼晶体的XRD谱图。图2为本专利技术制备的碳化钼晶体的低温超导磁性测试曲线图。图3为本专利技术制备相碳化钼晶体的装置的结构示意图。图3中：1-基片台；2-金属法兰；3-腔体；4-进气口；5-真空泵抽气口；6-压缩矩形波导；7-石英玻璃管。具体实施方式下面结合附图和实施例进一步对本专利技术进行说明，但本专利技术的内容不仅仅局限于下面的实施例。下述实施例中，如图3所示，所述步骤1)中，制备相碳化钼晶体的装置，包括基片台1、金属法兰2、腔体3；基片台1位于腔体3内，基片台1安装在升降机构上(基片台1可升降)，腔体3上设有进气口4、真空泵抽气口5，氢气、甲烷、六氟化钼由进气口4导入，真空泵抽气口5由真空管道与真空泵相连(用于抽腔体3内的空气至真空)，真空管道上设有真空微调阀，腔体3的中部(接近硅片的位置)设有石英玻璃管7(腔体3为圆形，腔体3的中部为石英玻璃管7)，腔体3上固定有上下金属法兰，上金属法兰位于石英玻璃管7的上方，下金属法兰位于石英玻璃管7的下方，腔体3由上下金属法兰2与压缩矩形波导相连(上下金属法兰用橡胶圈与石英玻璃管7进行密封)，压缩矩形波导6与微波发生器相连(微波发生器产生的微波能量由压缩矩形波导6经石英玻璃管7进入腔体3内)。2.45GHz微波通过矩形波导进行传输并在腔体内耦合，气体进入腔体后，吸收微波能量激发产生等离子体。实施例1(1)依次使用乙醇、丙酮溶液对硅基片进行超声清洗，去除表面杂质。随后，将硅片置于基片台上方中心位置，密封金属法兰，对腔体抽真空。(2)向腔体内通入氢气，调节微波功率，氢气流量和气压，气体吸收微波能量激发产生等离子体，使用的工艺参数为：氢气流量200sccm，工作气压为10kPa，微波功率800W。(3)调节基片台高度，使等离子体包裹硅片并对硅基片加热(温度为600℃-800℃，温度由微波能量产生的热量决定)。调节真空微调阀，使腔内气压保持在约11kPa。(4)待等离子体状态稳定，依次通入甲烷、六氟化钼，调节气体流量和配比(甲烷、六氟化钼的体积配比为CH4:MoF6＝1:2)。反应结束后，关闭微波源，待腔体冷却，取出样品，实验中使用的工艺参数分别为：甲烷1.0sccm，六氟化钼2.0sccm，沉积时间8h。图1为本实施例制备的碳化钼晶体的XRD谱图，其物质的相结构通过与标准X射线衍射数据JCPDS 35-0787对比，证实为α相碳化钼晶体。α相碳化钼晶体的质量纯度为96％。利用振动样品磁强计VSM，测试了样品的超导特性，在温度为6.83K处出现了超导转变，对样品施加10Oe磁场实现了超导态向正常态的转变。证实了该方法所制得的样品具备一定的超导特性。实施例2(1)依次使用乙醇、丙酮溶液对硅基片进行超声清洗，去除表面杂质。随后，将硅片置于基片台上方中心位置，密封金属法兰，对腔体抽真空。(2)向腔体内通入氢气，调节微波功率，氢气流量和气压，气体吸收微波能量激发产生
等离子体，使用的工本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用微波等离子体化学气相沉积制备α相碳化钼晶体的方法，其特征在于包括如下步骤：1)将清洗后的硅片置于制备相碳化钼晶体的装置的腔体中，对腔体抽真空至真空度为10‑100Pa；2)向腔体内通入氢气，调节微波功率、氢气流量和气压，腔体内部气体吸收微波能量激发产生等离子体；3)调节基片台高度，使等离子体包裹硅片并对硅片加热；使腔内气压保持在一定范围之内；4)待等离子体状态稳定，依次通入甲烷、六氟化钼，调节气体流量和配比；反应结束后，关闭微波源，待腔体冷却，取出样品，得到α相碳化钼晶体。

【技术特征摘要】
1.一种利用微波等离子体化学气相沉积制备α相碳化钼晶体的方法，其特征在于包括如下步骤：1)将清洗后的硅片置于制备相碳化钼晶体的装置的腔体中，对腔体抽真空至真空度为10-100Pa；2)向腔体内通入氢气，调节微波功率、氢气流量和气压，腔体内部气体吸收微波能量激发产生等离子体；3)调节基片台高度，使等离子体包裹硅片并对硅片加热；使腔内气压保持在一定范围之内；4)待等离子体状态稳定，依次通入甲烷、六氟化钼，调节气体流量和配比；反应结束后，关闭微波源，待腔体冷却，取出样品，得到α相碳化钼晶体。2.根据权利要求1所述的一种利用微波等离子体化学气相沉积制备α相碳化钼晶体的方法，其特征在于：所述步骤1)中，使用乙醇、丙酮溶液对硅片进行超声清洗。3.根据权利要求1所述的一种利用微波等离子体化学气相沉积制备α相碳化钼晶体的方法，其特征在于：所述步骤2)中，微波功率为800-1200W，氢气流量为100-400sccm，工作气压为10kPa。4.根据权利要求1所述的一种利用微波等离子体化学气相沉积制备α相碳化钼晶...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵洪阳，马志斌，蔡康，高攀，
申请(专利权)人：武汉工程大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42