一种大范围均匀双层二硫化钼薄膜的化学气相沉积制备方法技术

本发明专利技术涉及一种大范围均匀双层二硫化钼薄膜的化学气相沉积制备方法，包括以下步骤：将生长衬底所在管式炉高温区的温度加热到第一预设温度并保温一段时间，生成第一层单晶二硫化钼薄膜；将温度升高，在升温过程中引入少量具有轻微刻蚀作用的气体，使第一层二硫化钼薄膜停止生长并修复其表面缺陷；将生长衬底所在高温区的温度加热到第二预设温度并停止引入刻蚀气体，保温一段时间，使第二层单晶二硫化钼薄膜在第一层薄膜表面生长，其中，第二预设温度保温时间大于第一预设温度保温时间；最终系统自然降到室温。本发明专利技术通过这种两阶段生长法，可在生长衬底上获得大范围均匀双层二硫化钼薄膜，具有工艺简单、成本低、产率高、适合大面积生产等优点。

A chemical vapor deposition method for preparation of large scale homogeneous MoS2 films

The preparation method of the invention relates to a chemical gas in large range homogeneous bilayer thin film deposited MoS2, which comprises the following steps: heating temperature of the growth substrate where the tube furnace high temperature zone to the first preset temperature and holding time, generating a first single crystal layer MoS2 film; the temperature is increased, a small amount of gas is introduced with a slight etching effect in the heating process, the first layer of MoS2 film to stop growing and repairing the surface defects; heating temperature of the substrate where the high temperature area to second preset temperature and stop the introduction of etching gas temperature for a period of time, the second layer of single crystal MoS2 films in the first layer of the film surface growth, among them, second preset temperature holding time the holding time is greater than the first preset temperature; the final system up to room temperature. Through the two stage growth method, a large scale homogeneous double-layer molybdenum disulfide film can be obtained on the growth substrate, which has the advantages of simple process, low cost, high yield, and suitable for large area production.

【技术实现步骤摘要】
一种大范围均匀双层二硫化钼薄膜的化学气相沉积制备方法
本专利技术涉及层状二维材料的化学气相沉积制备方法，尤其涉及一种大范围均匀双层二硫化钼薄膜的制备方法。
技术介绍
类石墨烯二硫化钼(MoS2)是一种二维过渡金属硫属化合物，具有层状特殊结构，拥有独特优异的光学和电学性能，已被广泛应用于光催化制氢、锂离子电池、场效应晶体管及光电探测器等领域。不同于石墨烯的零带隙，MoS2具有较大的可以随层数变化的带隙，有高达108的开关比，有很好的化学稳定性和热稳定性，非常适合应用于逻辑电路，具有延续摩尔定律生命力的潜力，因而自被发现以来就在全世界范围内备受关注。目前，对于MoS2材料的研究主要集中在其单层样品的制备与性能方面。但是，单层MoS2的性能在实际应用方面很难获得大的突破。例如，单层MoS2的载流子迁移率比较低，限制了在电子器件方面的深入应用。然而，据研究，双层MoS2在常温下比单层更稳定，有更高的载流子迁移率和驱动电流，在薄膜晶体管、逻辑器件和传感器等方面比单层MoS2具有更广泛的应用前景。并且，基于双层样本的研究可以为范德瓦尔斯力的研究以及双层异质结的研究提供很好的平台。虽然目前已经有科研团队开始研究双层及多层MoS2样品的特性，但是样品主要来自于机械剥离法。这种制备方法产率低、薄层尺寸小，且具有随机性大、层数不能控制等诸多局限，远远不能满足对双层MoS2样品日益增长的需求，极大地限制了基于双层MoS2样品的基础研究以及未来的实际应用。化学气相沉积(CVD)法是一直是生长单层MoS2备受推崇的方法，但在制备双层及多层单晶均匀MoS2方面一直没有大的进展。通常，第二层薄膜的生长随机性很强，可能从第一层的边缘或者中心开始，其连续性和均匀性都很差。因此，迫切需要一种大范围高效率可控制备均匀高质量双层MoS2样品的方法。经过对现有技术文献的调研发现，有很多团队已经致力于尝试制备均匀的双层及多层二维过渡金属硫属化合物样品。其中，Jeon等人在《Nanoscale》2015年第7卷第1688-1695页报道了一种通过逐层控制生长MoS2薄膜的CVD方法：先用氧气等离子体对生长基底进行不同时间的预处理，通过对处理时间的控制进而实现对生长不同层数MoS2的控制。然而，这种方法生长出来的MoS2是连续薄膜，内部存在很多晶界，而且每一层薄膜都是多晶薄膜，必然会降低场效应管等器件的性能。焦丽颖等人在《AdvancedMaterials》2017年第29卷第1604540页报道了一种通过CVD方法生长多层MoS2薄膜的方法。但是，他们的方法操作起来相对比较复杂，而且同一片生长基底上的MoS2的层数不够均匀，不利于工业化器件的大规模制备。一种简单易实现的、均匀的双层MoS2薄膜的制备方法目前无论在文献中还是专利中都未见报道。本专利技术的目的就是针对现有技术上的不足，提供一种大范围均匀双层MoS2薄膜的制备方法。
技术实现思路
针对上述背景中所阐述的现有制备双层MoS2薄膜技术方法中的不足，本专利技术旨在提供一种大范围均匀双层MoS2薄膜的制备方法，解决双层MoS2薄膜制备中可控性差、经常为多晶薄膜等弊端，实现在生长衬底上制备大范围、层数可控的均匀双层MoS2薄膜。本专利技术通过如下技术方案实现：选择钼源与硫源，硫源放置于管式炉气流上游，钼源与生长衬底一起放置于气流下游管式炉的高温区；调节钼源与硫源距离，合理设置温控程序使钼源与硫源同时蒸发，并随载流气体到达生长衬底；将生长衬底所在高温区的温度加热到第一预设温度并保温一段时间，使第一层MoS2单晶薄膜在衬底上得以沉积；将温度继续升高，此过程中引入少量可以与MoS2薄膜边缘与表面悬挂件反应的具有轻微刻蚀作用的气体，使第一层MoS2薄膜的生长停止并修复部分表面缺陷；生长衬底所在高温区的温度加热到第二预设温度立即停止引入具有刻蚀作用的气体，并保温一段时间，使第二层MoS2单晶薄膜在第一层薄膜表面进行覆盖生长，其中，第二预设温度保温时间大于第一预设温度保温时间。根据本专利技术实施例的均匀双层MoS2薄膜的制备方法，通过两阶段反应法能够获得大面积、层数可控的均匀双层MoS2薄膜。所述的钼源可以为MoO3粉末或者其他含有Mo元素的化合物。所述的硫源可以为S粉或者其他化学反应方法获得的S源，如H2S气体。所述的钼源与硫源的间距应根据选择的钼源及硫源以及生长温度及载流气体流速等参数进行适当调整，其目的主要是为了使钼源及硫源蒸气同时到达生长衬底。如果选择MoO3粉末及S粉分别作为钼源及硫源，那两者间距应该保持在25-40cm。因为生长过程中只对钼源及生长衬底所在的加热腔进行加热，硫源是依赖于钼源处的热辐射进行升温的，所以如果距离过近，使得硫粉提前蒸发，会使MoO3表面提前被硫化，阻止MoO3的继续蒸发，如果距离过远，当MoO3到达蒸发温度的时候，S粉还没有蒸发，导致没有MoS2薄膜的生成。所述的载流气体为高纯氮气或氩气等高纯惰性气体，主要对整个生长过程起保护作用以及输送钼源与硫源蒸气到达生长衬底的作用。所述载流气体流速为50-100sccm，在生长开始之前，先用高的流速冲洗管式炉反应腔，在生长过程中保持流速稳定不变，用钼的氧化物做钼源时，如果生长过程中载流气体流速过小，会使得到达生长衬底的硫源不足，导致钼源被硫化的不彻底，载流气体流速过大，会导致生长衬底上形核密度过大，最终导致MoS2薄膜尺寸变小。所述的生长衬底为镀有二氧化硅层的硅片、蓝宝石、石英或云母衬底，可以倒扣在钼源上方，也可以朝上放在钼源的下游临近处。所述的第一预设温度，范围为650-750℃。所述的第一预设温度保温时间为5-25分钟，对应MoS2薄膜第一层的生长阶段。所述的具有轻微刻蚀作用的气体为氢气或氧气，阻止MoS2薄膜第一层外延生长的继续，修复第一层MoS2薄膜表面的部分缺陷，使MoS2薄膜在所述第二预设温度保温时间能够在第一层表面均匀生长。所述的具有轻微刻蚀作用的气体的流速为1-10sccm，流速过小起不到刻蚀的效果，不能阻止第一层在后续升温过程中的继续生长，流速过大有较强的刻蚀作用最终导致第一层MoS2薄膜的尺寸过小。所述的第二预设温度，范围为750-900℃。所述的第二预设温度保温时间为10-35分钟，对应MoS2薄膜第二层的生长阶段。附图说明图1是本专利技术的均匀双层MoS2薄膜的制备方法的主要生长过程示意图图2是实施例1二氧化硅衬底上生长的双层MoS2薄膜的光学照片图3是实施例1双层MoS2薄膜的拉曼图图4是实施例1双层MoS2薄膜的荧光图图5是实施例1双层二MoS2薄膜的独立样品的原子力显微镜扫描照片图6是实施例1双层MoS2薄膜独立样品的拉曼与荧光面扫描图具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术的技术方案作进一步的说明，但本专利技术绝非仅局限于实施例。实施例1：二氧化硅/硅(SiO2/Si)衬底上均匀双层MoS2薄膜的CVD生长1、生长基底处理：分别用丙酮、无水乙醇、去离子水对二氧化硅基底超声处理10分钟，用高纯氮气吹干待用。2、生长过程控制：采用双温区管式炉作为化学气相沉积设备进行生长，管式炉管子直径为5cm的陶瓷管。选择MoO3粉末和S粉作为钼源和硫源并将它们放置在氧化铝陶瓷舟里。MoO3粉末放置于气流下游管式炉一个温区的中心高温区域本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大范围均匀双层二硫化钼薄膜的化学气相沉积制备方法，分别选取钼源与硫源，调整两者间距并控制温度使得两者同时蒸发，并在管式炉中进行化学气相沉积，从而在生长衬底上获得二硫化钼薄膜，其特征在于：利用两步升温的方式，先将生长衬底所在高温区的温度加热到第一预设温度并保持第一段保温时间，使第一层单晶二硫化钼薄膜沉积在衬底上；然后将温度继续升高，升温过程中引入少量可以与二硫化钼薄膜边缘与表面悬挂键反应的具有轻微刻蚀作用的气体，使第一层二硫化钼薄膜停止生长并修复部分表面缺陷；再将生长衬底所在高温区的温度加热到第二预设温度并保持第二段保温时间，同时停止引入具有轻微刻蚀作用的气体，使第二层单晶二硫化钼薄膜从第一层薄膜表面进行覆盖生长。

【技术特征摘要】
1.一种大范围均匀双层二硫化钼薄膜的化学气相沉积制备方法，分别选取钼源与硫源，调整两者间距并控制温度使得两者同时蒸发，并在管式炉中进行化学气相沉积，从而在生长衬底上获得二硫化钼薄膜，其特征在于：利用两步升温的方式，先将生长衬底所在高温区的温度加热到第一预设温度并保持第一段保温时间，使第一层单晶二硫化钼薄膜沉积在衬底上；然后将温度继续升高，升温过程中引入少量可以与二硫化钼薄膜边缘与表面悬挂键反应的具有轻微刻蚀作用的气体，使第一层二硫化钼薄膜停止生长并修复部分表面缺陷；再将生长衬底所在高温区的温度加热到第二预设温度并保持第二段保温时间，同时停止引入具有轻微刻蚀作用的气体，使第二层单晶二硫化钼薄膜从第一层薄膜表面进行覆盖生长。2.按照权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：张秀梅，肖少庆，戴晓峰，顾晓峰，
申请(专利权)人：江南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32