一种大面积高质量完全单层的二硫化钨的制备方法技术

本发明专利技术涉及二硫化钨领域，具体为一种大面积高质量完全单层的二硫化钨的制备方法。采用化学气相沉积技术，以对钨溶解度极低的金为生长基体，在常压下利用钨源和硫源高温下在金基体表面催化反应，自限制生长完全单层的二硫化钨的大尺寸单晶和大面积连续薄膜。利用常压条件下所得二硫化钨和金基体结合较弱的特点，分别采用鼓泡转移方法和鼓泡与卷对卷转移相结合的方法，在不破坏金基体的情况下将大面积完全单层的二硫化钨转移至刚性和柔性基体上。采用本发明专利技术可获得完全单层的高质量毫米级二硫化钨单晶和大面积连续薄膜，为单层二硫化钨在电子/光电子器件、自旋器件和太阳能电池、气体/光传感器、柔性薄膜电子/光电子器件等领域的应用奠定基础。

【技术实现步骤摘要】

：本专利技术涉及单层二硫化钨新材料及其化学气相沉积(CVD)制备技术，具体为一种大面积高质量完全单层的二硫化钨的制备方法，适于大面积完全单层的二硫化钨单晶及连续薄膜的低成本大量制备。
技术介绍
：自2004年英国曼彻斯特大学的研究所首次分离出石墨烯以来，石墨烯因其优异的电学、热学和力学性能，在多功能纳电子器件、透明导电膜、复合材料、催化材料、储能材料、场发射材料、气体传感器及气体存储等领域获得广泛研究和应用。但是，石墨烯是零带隙二维材料，不能作为晶体管的沟道层，限制了自身在纳米电子器件、光电转换等方面的进一步应用。目前，人们发现了多种二维过渡族金属硫族化合物，如二硫化钼、二硒化钼、二硫化钨、二硒化钨等，均有着与是石墨烯相似的六方/三方结构，却有着合适大小的带隙，表现出与石墨烯不同的半导体性质。而二维的二硫化钨正是其中的重要研究对象，特别是单层二硫化钨，不仅其带隙～2.0eV正好处于可见光范围，而且是一种直接带隙半导体，有着突出而独特的光电性能，是目前材料科学和凝聚态物理研究领域的新热点。早期单层二硫化钨的制备方法有微机械剥离法和液相剥离法，前者只能得到极少量单层二硫化钨，尺寸一般在微米量级，效率很低，但质量较高；后者产量较高，但质量较差，尺寸更小，一般在几百个纳米。近几年发展的单层二硫化钨的化学气相沉积法制备，可以得到单层二硫化钨的100微米量级单晶和连续薄膜，有着简单易行、产物尺寸大的优点。然而这些制备方法所用的基体为惰性材料，如二氧化硅、三氧化二铝等，不是表面催化生长的过程，因而得到的单层二硫化钨层数和大小控制性不佳，有着较多的生长缺陷，导致其电学性能远不及微机械剥离法制备的样品性能。另一方面，这些惰性基体为坚硬的、脆性的原子晶体，无法像铂箔上生长的石墨烯那样使用低成本的卷对卷转移方法(申请号：201410376865.8)转移到聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)等柔性基体上；而且转移过程中，需要使用强碱或强酸腐蚀掉这些惰性基体，极易造成环境污染和基体材料的浪费，成本高。因此，如何实现大面积高质量完全单层的二硫化钨的生长和低成本转移，成为单层二硫化钨乃至整个二维材料研究领域的难点和迫切需求。
技术实现思路
：本专利技术的目的在于提供一种大面积高质量完全单层的二硫化钨的制备方法，该方法具有产物质量高、尺寸大、层数均一性和可控性好、生长窗口宽以及易于操作和放大等优点，因此可作为一种低成本大量制备大面积单层二硫化钨的单晶及连续薄膜的理想方法。本专利技术的技术方案是：一种大面积高质量完全单层的二硫化钨的制备方法，该方法采用化学气相沉积技术，以对钨溶解度极低的金为生长基体，在常压下利用钨源和硫源高温下在金基体表面催化反应，自限制生长高质量完全单层的二硫化钨的大尺寸单晶和大面积连续薄膜；利用常压条件下所得二硫化钨和金基体结合较弱的特点，分别采用鼓泡转移方法和鼓泡与卷对卷转移相结合的方法，在不破坏金基体的情况下，将大面积完全单层的二硫化钨转移至刚性目标基体和柔性目标基体上。所述的大面积高质量完全单层的二硫化钨的制备方法，生长产物二硫化钨单晶或薄膜的厚度在所有区域均为严格的单层，双层或多层二硫化钨单晶或薄膜的区域少于二硫化钨单晶或薄膜总面积的0.2％甚至为零。所述的大面积高质量完全单层的二硫化钨的制备方法，所用金基体为表面平整的金的薄片或薄膜，纯度大于99wt％，厚度不小于100nm(优选为200nm～200μm)。所述的大面积高质量完全单层的二硫化钨的制备方法，所用金基体在生长之前，在丙酮、乳酸乙酯、水和乙醇之一种或两种以上中分别超声清洗，时间不少于10min(优选为20～60min)。所述的大面积高质量完全单层的二硫化钨的制备方法，所用金基体在生长之前需进行退火处理，处理温度为800℃～1064.18℃(金的熔点)；退火处理的气氛为惰性气体，或者气氛为氮气、氧气或空气，或者气氛为以上中两种以上的混合气体；其中，每种气体摩尔百分含量不小于1％(优选为5％～100％)，流速不小于5sccm(优选为10～1000sccm)，退火时间不少于5min(优选为10～300min)。所述的大面积高质量完全单层的二硫化钨的制备方法，所用钨源为含钨化合物：三氧化钨、二氧化钨、六氯化钨中的之一种或两种以上；硫源为硫蒸汽，或者硫源为含硫化合物：硫化氢、二氧化硫中的之一种或两种以上；载体为惰性气体或者氮气，或者气氛为以上中两种以上的混合气体；钨源、硫源和载气的纯度均大于99％，钨源与硫源的摩尔比为0.01～1(优选为0.02～0.2)，硫源与载气的摩尔比为1×10-7～1×103(优选为4×10-7～5×10-4)。所述的大面积高质量完全单层的二硫化钨的制备方法，反应压力为常压，生长温度为500℃～1064.18℃，生长时间不小于1min(优选为5～300min)；生长结束后，金基体需在惰性气体或者氮气的载体保护下，慢速冷却至200℃以下，慢速冷却的速率小于200℃/s(优选为0.1～50℃/s)。所述的大面积高质量完全单层的二硫化钨的制备方法，该方法制备的单层的二硫化钨单晶尺寸达毫米级，通过延长生长时间，单层二硫化钨单晶的晶粒会拼接成连续的完全单层的二硫化钨薄膜，所得二硫化钨和金基体结合较弱。所述的大面积高质量完全单层的二硫化钨的制备方法，分别采用“申请号：201110154465.9”鼓泡转移方法和“申请号：201410376865.8”鼓泡与卷对卷转移相结合的方法，在不破坏金基体的情况下将大面积完全单层的二硫化钨转移至刚性目标基体和柔性目标基体上，刚性目标基体为SiO2/Si或玻璃，柔性目标基体为聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚萘二甲酸乙二醇酯或沉积有电极的聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚萘二甲酸乙二醇酯，并且通过层层转移的方法实现大面积多层二硫化钨和二硫化钨/石墨烯二维材料叠层异质结构的制备。所述的大面积高质量完全单层的二硫化钨的制备方法，转移后的金基底再次用于生长二硫化钨，而且在生长参数不变的前提下，再次生长所得的二硫化钨与使用同一金基底的上次生长的相比，不发生结构和质量上的衰减。本专利技术的特点及有益效果是：1、本专利技术采用常压化学气相沉积技术，以金为生长基体，利用金中钨溶解度极低以及金可以催化钨源硫化的特点，使钨源和硫源高温下在金基体表面催化反应，自限制生长出高质量完全单层的二硫化钨的大尺寸单晶和大面积连续薄膜。该方法所得二硫化钨为完全单层，均一性好，质量高。二硫化钨的面积取决于所使用的金基体的面积(1英寸管径反应炉所得二硫化钨面积可达5cm2以上)。2、本专利技术中常压化学气相沉积方法所得单层二硫化钨和金基体结合离较弱，可分别采用鼓泡转移方法和鼓泡与卷对卷转移相结合的方法，在不破坏金基体的情况下将大面积完全单层的二硫化钨转移至刚性目标基体和柔性目标基体上，生长基体可重复使用，转移成本低，无污染。3、本专利技术的常压化学气相沉积技术和卷对卷鼓泡无损转移技术均易于放大，有望实现大面积单层二硫化钨的低成本连续化大量生产，并且卷对卷鼓泡无损转移技术与大面积柔性电子器件的制作工艺兼容，可直接实现大面积柔性器件的制作。4、采用本专利技术可获得单层二硫化钨的毫米级尺寸的高质量单晶及大面积连续薄膜，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大面积高质量完全单层的二硫化钨的制备方法，其特征在于，该方法采用化学气相沉积技术，以对钨溶解度极低的金为生长基体，在常压下利用钨源和硫源高温下在金基体表面催化反应，自限制生长高质量完全单层的二硫化钨的大尺寸单晶和大面积连续薄膜；利用常压条件下所得二硫化钨和金基体结合较弱的特点，分别采用鼓泡转移方法和鼓泡与卷对卷转移相结合的方法，在不破坏金基体的情况下，将大面积完全单层的二硫化钨转移至刚性目标基体和柔性目标基体上。

【技术特征摘要】
1.一种大面积高质量完全单层的二硫化钨的制备方法，其特征在于，该方法采用化学气相沉积技术，以对钨溶解度极低的金为生长基体，在常压下利用钨源和硫源高温下在金基体表面催化反应，自限制生长高质量完全单层的二硫化钨的大尺寸单晶和大面积连续薄膜；利用常压条件下所得二硫化钨和金基体结合较弱的特点，分别采用鼓泡转移方法和鼓泡与卷对卷转移相结合的方法，在不破坏金基体的情况下，将大面积完全单层的二硫化钨转移至刚性目标基体和柔性目标基体上。2.按照权利要求1所述的大面积高质量完全单层的二硫化钨的制备方法，其特征在于，生长产物二硫化钨单晶或薄膜的厚度在所有区域均为严格的单层，双层或多层二硫化钨单晶或薄膜的区域少于二硫化钨单晶或薄膜总面积的0.2％甚至为零。3.按照权利要求1所述的大面积高质量完全单层的二硫化钨的制备方法，其特征在于，所用金基体为表面平整的金的薄片或薄膜，纯度大于99wt％，厚度不小于100nm。4.按照权利要求1所述的大面积高质量完全单层的二硫化钨的制备方法，其特征在于，所用金基体在生长之前，在丙酮、乳酸乙酯、水和乙醇之一种或两种以上中分别超声清洗，时间不少于10分钟。5.按照权利要求1所述的大面积高质量完全单层的二硫化钨的制备方法，其特征在于，所用金基体在生长之前需进行退火处理，处理温度为800℃～1064.18℃(金的熔点)；退火处理的气氛为惰性气体，或者气氛为氮气、氧气或空气，或者气氛为以上中两种以上的混合气体；其中，每种气体摩尔百分含量不小于1％，流速不小于5sccm，退火时间不少于5分钟。6.按照权利要求1所述的大面积高质量完全单层的二硫化钨的制备方法，其特征在于，所用钨源为含钨化合物：三氧化钨、二氧化钨、六氯化钨中的之一种或两种以上；硫源为硫蒸汽，或者硫源...

【专利技术属性】
技术研发人员：任文才，高旸，马来鹏，马腾，成会明，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21