2D金属硫属化物膜的激光辅助原子层沉积制造技术

本发明专利技术涉及2D金属硫属化物膜的激光辅助原子层沉积。具体地，公开了使用激光辅助原子层沉积来形成2D金属硫属化物膜的方法。一种直接生长方法包含：贴附含金属分子层至经加热的基材的表面；然后使该含金属分子层与使用等离子体输送的含硫属化物的自由基化的前体气体反应以形成金属硫属化物的非晶2D膜；然后对该非晶2D膜进行激光退火以形成该金属硫属化物的结晶2D膜，其可以具有MX或MX2的形式，其中M为金属且X为硫属化物。还公开了一种包含形成MO3膜的间接生长方法。

【技术实现步骤摘要】

本公开涉及原子层沉积，特别是涉及二维(2D)金属硫属化物层的激光辅助原子层沉积。通过引用将本文中所提及的任何出版物或专利文件的整体内容并入。
技术介绍
持续积极地致力于二维(2D)材料作为硅的可能的接替材料。两种这样的2D材料是石墨烯和金属硫属化物，所述金属硫属化物具有MX(“金属单硫属化物”)或MX2(“金属双硫属化物”)的形式，其中M为金属原子，且X为硫属化物，其可以是S、Se或Te。目前，使用各种不同的技术来形成2D材料。这些技术分为两大类，即自上而下(top-down)方法与自下而上(bottom-up)方法。自上而下方法仰赖上述材料(例如MoS2或WS2等)的块体(三维/3D)形式剥离成它们的2D形式。对MoS2而言，此种方法从块体3DMoS2剥落2DMoS2薄层。可经由纯物理方法实现该剥落工艺，例如使用玻璃纸带来剥离该3D材料的表面。还可以以电化学方式来实现剥离。在任一情况下，剥离技术每次产出非常少量的2D材料，例如平方微米等级。自下而上技术通过以下方式寻求补救仅能够产出少量所需2D材料的问题：初始生长金属氧化物薄层，随后将其处理以达到大面积2D材料层。用于自下而上工艺的最普遍的膜生长技术为化学气相沉积(CVD)。尽管这种技术可以生产大面积的金属硫属化物，但是难以控制该工艺来获的2D材料的单层生长。此外，对于不同次作业，材料的品质可极大地变化，这导致后续使用该材料作为硅的替代物是高度成问题的。
技术实现思路
公开了使用激光辅助原子层沉积来形成2D金属硫属化物膜的方法。一种直接生长方法包含：贴附含金属分子层至经加热的基材的表面；然后使该含金属分子层与使用等离子体输送的含硫属化物的自由基化的前体气体反应以形成金属硫属化物的非晶2D膜；然后对该非晶2D膜进行激光退火以形成该金属硫属化物的结晶2D膜，其可以具有MX或MX2的形式，其中M为金属且X为硫属化物。还公开了一种包含形成MO3膜的间接生长方法。本公开的一个方面为在基材的表面上形成金属硫属化物的基本二维(2D)膜。所述方法包含a)使用原子层沉积(ALD)工艺贴附含金属分子层至经加热的基材的表面。所述方法还包含b)使该含金属分子层与使用等离子体输送的含硫属化物的自由基化的前体气体反应以形成金属硫属化物的非晶且基本2D的膜。所述方法还包含c)对该非晶且基本2D的膜进行激光退火以由此形成该金属硫属化物的结晶且基本2D的膜。该金属硫属化物可具有MX或MX2的形式。M为金属且X为硫属化物。本公开的另一个方面是上述的方法，其中该金属M为Mo和W中的一者，且其中该硫属化物X为S、Se和Te中的一者。本公开的另一个方面是上述的方法，其中该等离子体包含含X的自由基。本公开的另一个方面是上述的方法，其中该含X的自由基包含H2S*。本公开的另一个方面是上述的方法，该方法还包含处理该基材以从该基材的该表面移除该基本结晶且基本2D的膜。本公开的另一个方面是上述的方法，其中该金属硫属化物的该基本结晶且基本2D的膜具有25mm×25mm或更大的尺寸。本公开的另一个方面是上述的方法，其中在进行步骤c)前，重复步骤a)及步骤b)多次。本公开的另一个方面是在基材的表面上形成金属硫属化物的基本二维(2D)膜的方法。所述方法包含a)使用原子层沉积(ALD)工艺贴附含金属分子层至经加热的基材的表面。所述方法还包含b)使氧化剂前体气体与该含金属分子层反应以形成MO3层。所述方法还包含c)重复步骤a)及步骤b)以形成具有多个MO3层的MO3膜。所述方法还包含d)使含硫属化物的自由基化的前体气体与该MO3膜反应以形成金属硫属化物的非晶且基本2D的膜。所述方法还包含e)对该非晶且基本2D的膜进行激光退火以由此形成该金属硫属化物的基本结晶且基本2D的膜。该金属硫属化物可具有MX或MX2的形式。M为金属且X为硫属化物。本公开的另一个方面是上述的方法，其中该金属M为Mo和W中的一者，且其中该硫属化物X为S、Se和Te中的一者。本公开的另一个方面是上述的方法，其中步骤d)包含使用等离子体提供该含硫属化物的自由基化的前体气体。本公开的另一个方面是上述的方法，其中该含硫属化物的自由基化的前体气体包含H2S*。本公开的另一个方面是上述的方法，该方法还包含处理该基材以从该基材的该表面移除该基本结晶且基本2D的膜。本公开的另一个方面是上述的方法，其中该金属硫属化物的该基本结晶且基本2D的膜具有25mm×25mm或更大的尺寸。本专利技术的另一个方面是在基材的表面上形成金属硫属化物的基本二维(2D)膜的方法。所述方法包含a)使用原子层沉积(ALD)工艺贴附含金属分子层至经加热的基材的表面。所述方法还包含b)使氧化剂前体气体与该含金属分子层反应以形成MO3层。所述方法还包含c)重复步骤a)及步骤b)以形成具有多个MO3层的MO3膜。所述方法还包含d)对该MO3膜进行激光退火以由此形成MO2膜。所述方法还包含e)使含硫属化物的自由基化的前体气体与该MO2膜反应以形成金属硫属化物的非晶且基本2D的膜。所述方法还包含f)对该非晶且基本2D的膜进行激光退火以由此形成该金属硫属化物的基本结晶且基本2D的膜。该金属硫属化物可具有MX或MX2的形式。M为金属且X为硫属化物。本公开的另一个方面是上述的方法，其中该金属M为Mo和W中的一者，且其中该硫属化物X为S、Se和Te中的一者。本公开的另一个方面是上述的方法，其中步骤e)包含使用等离子体提供该含硫属化物的自由基化的前体气体。本公开的另一个方面是上述的方法，其中该含硫属化物的自由基化的前体气体包含H2S*。本公开的另一个方面是上述的方法，该方法还包含处理该基材以从该基材的该表面移除该基本结晶且基本2D的膜。本公开的另一个方面是上述的方法，其中该金属硫属化物的该基本结晶且基本2D的膜具有25mm×25mm或更大的尺寸。本专利技术的另一个方面是使用原子层沉积工艺在基材的表面上形成金属单硫属化物(MX)或金属双硫属化物(MX2)的基本二维(2D)膜的方法。所述方法包含a)在具有从0.1乇至0.5乇的范围内的压力的腔室内部提供该基材，且加热该基材至介于150℃和500℃之间的温度。所述方法还包含b)导入具有金属M的含金属的前体气体至该腔室内部。该含金属的前体气体与该基材反应且留在该基材上。所述方法还包含c)排除该腔室内部的过量的含金属的前体气体。所述方法还包含d)使用等离子体导入硫属化物前体气体至该腔室内部。该硫属化物前体气体与留在该基材上的该含金属的前体气体反应从而产生MX或MX2的非晶膜。所述方法还包含e)净化该腔室内部。所述方法还包含f)在该非晶膜上方扫描激光束以加热该非晶膜至介于650℃和1200℃之间的温度以在该基材的表面上产生MX或MX2的基本2D膜。该基本2D膜为基本结晶的。本公开的另一个方面是上述的方法，其中该金属M为Mo和W中的一者。本公开的另一个方面是上述的方法，其中该硫属化物X为S、Se和Te中的一者。本公开的另一个方面是上述的方法，其中该等离子体包含含X的自由基。本公开的另一个方面是上述的方法，其中该含X的自由基包含H2S*。本公开的另一个方面是上述的方法，该方法还包含处理该基材以从该基材的该表面移除该基本结晶且基本2D的膜。本公开的另一个方面是上述的方法，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在基材的表面上形成金属硫属化物的基本二维(2D)的膜的方法，该方法包含：a)使用原子层沉积(ALD)工艺贴附含金属分子层至经加热的基材的表面；b)使该含金属分子层与使用等离子体输送的含硫属化物的自由基化的前体气体反应以形成金属硫属化物的非晶且基本2D的膜；以及c)对该非晶且基本2D的膜进行激光退火以由此形成该金属硫属化物的基本结晶且基本2D的膜，其中该金属硫属化物可具有MX或MX2的形式，其中M为金属且X为硫属化物。

【技术特征摘要】
2015.09.15 US 62/218,7341.一种在基材的表面上形成金属硫属化物的基本二维(2D)的膜的方法，该方法包含：a)使用原子层沉积(ALD)工艺贴附含金属分子层至经加热的基材的表面；b)使该含金属分子层与使用等离子体输送的含硫属化物的自由基化的前体气体反应以形成金属硫属化物的非晶且基本2D的膜；以及c)对该非晶且基本2D的膜进行激光退火以由此形成该金属硫属化物的基本结晶且基本2D的膜，其中该金属硫属化物可具有MX或MX2的形式，其中M为金属且X为硫属化物。2.如权利要求1所述的方法，其中该金属M为Mo和W中的一者，且其中该硫属化物X为S、Se和Te中的一者。3.如权利要求1所述的方法，其中该等离子体包含含X的自由基。4.如权利要求3所述的方法，其中该含X的自由基包含H2S*。5.如权利要求1所述的方法，还包含处理该基材以从该基材的该表面移除该基本结晶且基本2D的膜。6.如权利要求1所述的方法，其中该金属硫属化物的该基本结晶且基本2D的膜具有25mm×25mm或更大的尺寸。7.如权利要求1所述的方法，其中在进行步骤c)前，重复步骤a)及步骤b)多次。8.一种在基材的表面上形成金属硫属化物的基本二维(2D)的膜的方法，该方法包含：a)使用原子层沉积(ALD)工艺贴附含金属分子层至经加热的基材的表面；b)使氧化剂前体气体与该含金属分子层反应以形成MO3层；c)重复步骤a)及步骤b)以形成具有多个MO3层的MO3膜；d)使含硫属化物的自由基化的前体气体与该MO3膜反应以形成金属硫属化物的非晶且基本2D的膜；以及e)对该非晶且基本2D的膜进行激光退火以由此形成该金属硫属化物的基本结晶且基本2D的膜，其中该金属硫属化物可具有MX或MX2的形式，其中M为金属且X为硫属化物。9.如权利要求8所述的方法，其中该金属M为Mo和W中的一者，且其中该硫属化物X为S、Se和Te中的一者。10.如权利要求8所述的方法，其中步骤d)包含使用等离子体提供该含硫属化物的自由基化的前体气体。11.如权利要求10所述的方法，其中该含硫属化物的自由基化的前体气体包含H2S*。12.如权利要求8所述的方法，还包含处理该基材以从该基材的该表面移除该基本结晶且基本2D的膜。13.如权利要求8所述的方法，其中该金属硫属化物的该基本结晶且基本2D的膜具有25mm×25mm或更大的尺寸。14.一种在基材的表面上形成金属硫属化物的基本二维(2D)的膜的方法，该方法包含：a)使用原子层沉积(ALD)工艺贴附含金属分子层至经加热的基材的表面；b)使氧化剂前体气体与该含金属分子层反应以形成MO3层；c)重复步骤a)及步骤b)以形成具有多个MO3层的MO3膜；d)对该MO3膜进行激光退火以由此形成MO2膜；e)使含硫属化物的自由基化的前体气体与该MO2膜反应以形成金属硫属化物的非晶且基本2D的膜；以及f)对该非晶且基本2D的膜进行激光退火以由此形成该金属硫属化物的基本结晶且基本2D的膜，其中该金属硫属化物可具有MX或MX2的形式，其中M为金属且X为硫属化物。15.如权利要求14所述的方法，其中该金属M为Mo和W中的一者，且其中该硫属化物X为S、Se和Te中的一者。16.如权利要求14所述的方法，其中步骤e)包含使用等离子体提供该含硫属化物的自由基化的前体气体。17.如权利要求16所述的方法，其中该含硫属化物的自由基化的前体气体包含H2S*。18.如权利要求14所述的方法，还包含处理该基材以从该基材的该表面移除该基本结晶且基本2D的膜。19.如权利要求14所述的方法，其中该金属硫属化物的该基本结晶且基本2D的膜具有25mm×25mm或更大的尺寸。20.一种使用原子层沉积工艺在基材的表面上形成金属单硫属化物(MX)或金属双硫属化物(MX2)的基本二维(2D)的膜的方法，该方法包含：a)在具有从0.1乇至0.5乇的范围内的压力的腔室内部提供该基材，且加热该基材至介于150℃和500℃之间的温度；b)导入具有金属M的含金属的前体气体至该腔室内部，其中该含金属的前体气体与该基材反应且留在该基材上；c)清除该腔室内部的过量的含金属的前体气体；d)使用等离子体导入硫属化物前体气体至该腔室内部，其中该硫属化物前体气体与留在该基材上的该含金属的前体气体反应从而产生MX或MX2的非晶膜；e)净化该腔室内部；及f)在该非晶膜上方扫描激光束以加热该非晶膜至介于650℃和1200℃之间的温度以在该基材的表面上产生MX或MX2的基本2D的膜，其中该基本2D的膜为基本结晶的。21.如权利要求20所述的方法，其中该金属M为Mo和W中的一者。22.如权利要求20所述的方法，其中该硫属化物X为S、Se和Te中的一者。23.如权利要求20所述的方法，其中该等离子体包含含X的自由基。24.如权利要求23所述的方法，其中该含X的自...

【专利技术属性】
技术研发人员：G·孙达拉姆，
申请(专利权)人：超科技公司，
类型：发明
国别省市：美国;US