一种大面积硒掺杂二硫化钼薄膜材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种大面积硒掺杂二硫化钼薄膜材料的制备方法，采用化学气相沉积法和双温区管式炉，以Si/SiO2为基板，采用MoO3作为钼源，硫粉作为硫源，硒粒作为硒源，得到面积为1000-1200平方微米的单层硒掺杂二硫化钼薄膜材料。将基片置于盛有钼源的瓷舟之上，将瓷舟置于双温区管式炉的下温区；将盛有硫源和硒源的瓷舟置于双温区管式炉上温区，其中硫源和硒源的质量S:Se为0.25-4：1，并将双温区管式炉封装起来。本发明专利技术制备方法简便易操作、时间短、重复性好，对仪器设备要求低。制备硒掺杂二硫化钼的薄膜面积增大了一个数量级，有明显的优势，制备所得到的薄膜材料有望应用到光开关、光电晶体管、光探测器等领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种大面积硒掺杂二硫化钼薄膜材料的制备方法，属于半导体薄膜材料制备领域。
技术介绍
随着近年来石墨烯等二维层状纳米材料研究热潮的兴起,一类新型的二维层状化合物—类石墨烯过渡金属硫属化合物(TDMCs)引起了物理、化学等众多领域研究人员的广泛关注。这一类材料的分子结构通式表示为MX2，其中M为过渡金属，如Ⅳ族元素(Ti等)、Ⅴ族元素(V等)和Ⅵ族元素(Mo、W等)；X为硫属化物，如S，Se和Te等；典型化合物有二硫化钼(MoS2)、二硒化钼(MoSe2)等。该类化合物都是由六方晶系的单层或多层组成的具有“三明治夹心”层状结构的二维晶体材料，其中一层金属分子组成六角平面，被夹在两层隔离开得硫属分子中间，相邻的原子层之间靠微弱的范德华作用力结合形成大块的晶体；由于层与层之间堆垛方式和原子间的配位方式不同，过渡金属硫属化合物的晶体按其对称性可分为六角晶系和斜方晶系。与具有二维层状结构的石墨烯不同，类石墨烯过渡金属硫属化合物具有特殊的能带结构，相比于石墨烯的零能带隙，该类化合物通常拥有1-1.9eV的自然带隙能。单层二硫化钼的能带隙由于量子限域效应，达到1.9eV；而单层二硒化钼的能带隙达到1.5eV。由于其的大带隙和相对较高的载流子迁移率其在光电材料领域拥有广泛的应用。为了提高类石墨烯过渡金属硫属化合物在光电器件的性能，调节该材料的带隙是一个重要的解决方案也是一个瓶颈，因为自然界中很少存在自然带隙在1-1.9eV的天然矿石化合物，并能通过简单的剥离插层方法得到。很多方式都能实现对二维层材料带隙的调整，如化学掺杂、离子注入以及在材料表面引入官能团等。近来，理论计算和实验研究都证明了可实现带隙可调的二维层状半导体材料的制备。化学气相沉积方法和物理气相沉积方法都能有效得通过改变硫元素的浓度制备出带隙可调的单层硒掺杂二硫化钼。只有单层或少层才具有上述结构的优良光电方面的性能，因此首要且重要的任务是制备出单层或少层该种材料。近来文献中所报道的硒掺杂二硫化钼薄膜的面积基本都在微米级别，如中国科学科技大学向斌教授课题组制备的硒掺杂二硫化钼薄膜的面积为300平方微米。但是再大面积的硒掺杂二硫化钼薄膜没有得到，因此需要研究更大面积的硒掺杂二硫化钼薄膜，同时具有高质量、均匀性好、不同掺杂浓度的单层的硒掺杂二硫化钼薄膜材料；实现大量制备，可以达到工业大批量生产的要求。本文采用化学气相沉积法和双温区管式炉，以Si/SiO2为基板，采用MoO3作为钼源，硫粉作为硫源，硒粒作为硒源，可以得到具有高质量、均匀性好、单层的硒掺杂二硫化钼薄膜材料。本方法制备的薄膜面积可以达到1000-1200平方微米，这么大面积的薄膜在国内第一次合成出来，实属罕见。该方法操作简单，短时间内即可完成，重复性好，可以实现大量制备，可以达到工业大批量生产的要求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种大面积硒掺杂二硫化钼薄膜材料的制备方法，通过化学气相沉积法制得硒掺杂二硫化钼薄膜材料，面积达到1000-1200平方微米，同时具有高质量、单层性、均匀性好、结晶性好等优点，该方法操作简单，能耗少，已达到大规模生产的要求。本专利技术是通过下述技术方案加以实现的，通过选用钼源、硫源和硒源，在化学气相沉积双温区管式炉中高温低压条件下发生化学反应，然后沉积到基片表面，最终生成硒掺杂二硫化钼薄膜材料。一种大面积硒掺杂二硫化钼薄膜材料的制备方法，采用化学气相沉积法和双温区管式炉，以Si/SiO2为基板，采用MoO3作为钼源，硫粉作为硫源，硒粒作为硒源，得到面积为1000-1200平方微米的单层硒掺杂二硫化钼薄膜材料。所述基片是SiO2/Si，分别在丙酮和异丙醇溶液中超声的方式清洗去除基片表面的有机物质杂质，后用去离子水冲洗基片使之干净，并用氮气枪吹干。化学气相沉积法是：将SiO2/Si基片置于盛有钼源的瓷舟之上，并将该瓷舟置于双温区管式炉的下温区；将盛有硫源和硒源的瓷舟置于双温区管式炉上温区，其中硫源和硒源的质量S:Se为0.25-4：1，并将双温区管式炉封装起来。将惰性气体氩气通入双温区管式炉，以来排净双温区管式炉中的空气，防止在高温反应条件下双温区管式炉中的空气影响硒掺杂二硫化钼薄膜的生成和沉积。设置双温区管式炉中上温区的加热速率为3.6-5.5℃/min，65-85min后升至反应温度260-306℃，并维持这个反应温度10-20min。设置双温区管式炉中下温区的加热速率为10-15℃/min，65-85min后升至反应温度650-850℃，并维持这个反应温度10-20min。当双温区管式炉达到反应温度时，调节氩气的流量为40sccm，打开氢气并设置其流量为5-10sccm；反应结束后自然降至室温。本专利技术制备方法简便易操作、时间短、重复性好，对仪器设备要求低。通过化学气相沉积法得到的高质量、均匀性好、面积可达到1000-1200平方微米的单层硒掺杂二硫化钼薄膜材料，相比于其它制备硒掺杂二硫化钼的方法而言，薄膜材料的面积增大了一个数量级，有明显的优势，制备所得到的薄膜材料有望应用到光开关、光电晶体管、光探测器等领域。附图说明：图1为实施例2制备的硒掺杂二硫化钼薄膜材料的实验简易装置图。硫源和硒源放在上温区中，反应温度设定为300℃；钼源三氧化钼放在下温区中，反应温度设定为650℃；载气氩气/氢气(4:1)从双温区管式炉的左侧进入加热区。图2为实施例2制备的硒掺杂二硫化钼薄膜材料的光镜图。左上角为基片材料SiO2/Si片，其他区域为硒掺杂二硫化钼薄膜材料，成膜性好，完整度高，其薄膜材料的面积可以达到1100平方微米。图3为实施例2制备的硒掺杂二硫化钼薄膜材料的TEM图。照片显示制得的硒掺杂二硫化钼薄膜材料为单层。图4(A)、(B)和(C)为实施例1、2和3所制备二硫化钼薄膜材料的XPS图，分别对S元素做了分峰处理。由图片可知，制备出了不同的硒掺杂二硫化钼薄膜材料，实施例1、2和3所制备薄膜中对应的S:Se分别为4.04、0.92和0.59。具体实施方式具体方案步骤如下：(1)本实验中所使用的基片是SiO2/Si片，通过分别在丙酮和异丙醇溶液中超声的方式清洗去除基片表面的有机物质等杂质，后用去离子水冲洗基片使之干净，并用氮气枪吹干基片备用。将处理后的基片置于盛有钼源的瓷舟之上，并将该瓷舟置于双温区管式炉的下温区，其相对于载气而言，位于管式炉的出气端；将盛有硫源和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大面积硒掺杂二硫化钼薄膜材料的制备方法，其特征是采用化学气相沉积法和双温区管式炉，以Si/SiO2为基板，采用MoO3作为钼源，硫粉作为硫源，硒粒作为硒源，得到面积为1000‑1200平方微米的单层硒掺杂二硫化钼薄膜材料。

【技术特征摘要】
1.一种大面积硒掺杂二硫化钼薄膜材料的制备方法，其特征是采用化学气相沉积法和双
温区管式炉，以Si/SiO2为基板，采用MoO3作为钼源，硫粉作为硫源，硒粒作为硒源，
得到面积为1000-1200平方微米的单层硒掺杂二硫化钼薄膜材料。
2.如权利要求1所述的方法，其特征是基片是SiO2/Si，分别在丙酮和异丙醇溶液中超声
的方式清洗去除基片表面的有机物质杂质，后用去离子水冲洗基片使之干净，并用氮
气枪吹干。
3.如权利要求1所述的方法，其特征是化学气相沉积法是：将SiO2/Si基片置于盛有钼源
的瓷舟之上，并将该瓷舟置于双温区管式炉的下温区；将盛有硫源和硒源的瓷舟置于
双温区管式炉上温区，其中硫源和硒源的质量S:Se为0.25-4：1，并将双温区管式炉封
装起来。
4.如权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：封伟，岳玉琛，冯奕钰，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12