制备大面积单层二硒化钨单晶的方法技术

本发明专利技术公开了一种制备大面积单层二硒化钨单晶的方法，主要解决了传统制备方法工艺较复杂，可控性差的问题，其实施步骤为：1.选用衬底并进行RCA标准清洗，选取两片衬底依次用去离子水、丙酮和异丙醇超声清洗5分钟，吹干；2.将清洗后的衬底置于管式炉内，准备两只石英舟分别作为钨舟和硒舟，将NaCl溶液滴在第一片衬底前端后在热板上加热至去离子水完全气化；在第一片衬底盛放WO3，盖上第二片衬底后将钨舟置于高温区，硒舟中盛放Se后置于低温区；3.吹扫腔体，对管式炉高低温区分别进行控温，使WO3和Se反应产生WSe2，并对其进行密封。本发明专利技术成本较低，可控性高，适用于可重复性的大面积的单层WSe2材料的制备。

【技术实现步骤摘要】
制备大面积单层二硒化钨单晶的方法
本专利技术涉及微电子
，特别涉及一种单层二硒化钨(WSe2)单晶的化学气相沉积(Chemicalvapordeposition，CVD)制备方法，用于可重复性的大面积的单层WSe2制备。
技术介绍
以二硫化钼(MoS2)、二硒化坞(WSe2)为代表的二维过渡族金属硫族化合物功能材料在多层到单层的过程中，能够实现由间接带隙到直接带隙的转变，凭借其独特的物理、化学性质使得其在电子器件、光电子器件等领域有较大应用潜力，受到了研究人员的广泛重视。WSe2的发光特性较之MoS2，更具特色，目前制备大面积的单层WSe2主要采用CVD方法，需要用到硒源和钨源作为前驱体。常用的CVD方法使用的钨源为WO3，但由于WO3的蒸发温度高，难以蒸出，因此WO3仅存在于部分位置。同时，硒源的温度必须得到精确控制，来实现稳定的硒源的蒸发。文献1“J.-K.Huang,J.Pu,C.-L.Hsu,M.-H.Chiu,Z.-Y.Juang,Y.-H.Chang,W.-H.Chang,Y.Iwasa,T.TakenobuandL.-J.Li,ACSNano8(1),923-930(2013)..”报道了采用CVD方法，以WO3为前驱体制备单层WSe2的方法。这种方法在二维材料中具有代表性，其采用的工艺过程中，采用氢气和氩气作为载气，但该方法生长的WS2三角单晶的边长仅在20μm以下，且层数不能得到精确控制，限制了材料的器件应用。文献2“H.Zhou,C.Wang,J.C.Shaw,R.Cheng,Y.Chen,X.Huang,Y.Liu,N.O.Weiss,Z.Lin,Y.HuangandX.Duan,NanoLetters15(1),709-713(2014).”报道了采用CVD方法，以WO3为前驱体制备单层WSe2的方法。这种方法在二维材料中具有代表性，其采用的工艺过程中，先加热WO3粉末使其在1070℃被硒化，最终生成WSe2的薄膜，该方法虽说能够得到不同层数的WSe2单晶，但是由于硒单质的温度不能得到有效的单独控制，因而生长的WSe2尺寸均小于20μm，限制了其器件应用。文献3“S.M.Eichfeld,L.Hossain,Y.-C.Lin,A.F.Piasecki,B.Kupp,A.G.Birdwell,R.A.Burke,N.Lu,X.Peng,J.Li,A.Azcatl,S.McDonnell,R.M.Wallace,M.J.Kim,T.S.Mayer,J.M.RedwingandJ.A.Robinson,ACSNano9(2),2080-2087(2015).”报道了以W(CO)6为前躯体，采用(CH3)2Se提供Se源来得到WSe2的方法，该方法为有机气相沉积的方法，前躯体有毒，需要复杂的尾气处理和安全防护，成本较高。文献4“S.Li,S.Wang,D.-M.Tang,W.Zhao,H.Xu,L.Chu,Y.Bando,D.GolbergandG.Eda,AppliedMaterialsToday1(1),60-66(2015).”采用混合NaCl和WO2.9作为前驱体的方法来制备得到WS2和WSe2，这种方法通过加入与WO2.9粉末质量比为7:3的NaCl，通过Ar/H2的混合气体，可以明显增大生长尺寸200μm，不过该方法需要H2等还原性保护气体，而且NaCl达到了30mg，在800℃高温下会对石英管和金属造成腐蚀。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种制备大面积单层二硒化钨单晶的方法，以减小制备成本，增大生长单晶薄膜的面积。本专利技术的技术关键是：采用移液枪精确控制NaCl加入量的方法来实现CVD反应的形核和生长过程控制，最终实现大面积、可控的WSe2生长。其实现步骤包括如下：(1)选取两片衬底，并采用标准RCA清洗工艺对其进行清洗，选取两只石英舟分别作为钨舟和硒舟；(2)将1-100mg的NaCl溶于5mL去离子水中制成盐溶液，将2-20μL的盐溶液滴在第一片衬底前端，再在热板上加热至去离子水完全气化；(3)在第一片衬底中心盛放3-300mg的WO3后，将其置于钨舟中,把第二片衬底盖在WO3上方的1mm-10mm位置，再将钨舟置于管式炉高温区，随后在硒舟中加入10-500mg的硒粉，并将硒舟置于管式炉低温区；(4)将高温区升温至100-150℃，使用100-1000sccm流量的氩气吹扫反应腔体15分钟到2小时；(5)将氩气流量调节至10sccm-200sccm,同时使高温区迅速升温至300-700℃；(6)降低升温速率，在高温区温度达到600-850℃时，对低温区独立加热，使其中的Se融化并与WO3反应3-60分钟；(7)自然降温，待温度降至100℃以下，将样品取出密封，即完成单层二硒化钨单晶的制备。本专利技术与现有技术相比较具有如下优点：1.本专利技术由于在反应时使用WO3作为前驱体，同时不使用H2，降低了反应条件，同时也更加安全；2.本专利技术由于使用了NaCl，消除了使用WO3时原材料的中毒反应，同时将NaCl用移液枪以溶液形式引入，可以精准控制NaCl的引入量；3.本专利技术由于使用独立控温区控制Se的引入温度，能够精确控制WSe2形核和生长过程；4.本专利技术将WO3前驱体和衬底间隙控制在1mm-10mm之间，实现了大尺寸、大面积的单层WSe2的制备，该工艺可将制备的单晶尺寸扩展至英寸级别。下面结合附图和实施例对本专利技术做详细说明。附图说明图1为本专利技术使用的装置示意图；图2是本专利技术的实现流程示意图；图3为本专利技术中控制WO3和Se的温度变化曲线图；图4为用本专利技术方法生长的单层WSe2在不同放大倍数下的光学显微镜图片；图5为用本专利技术方法生长的单层WSe2的电子显微镜图片。具体实施方式本实例采用WO3这类较难蒸发的原材料作为前驱体，通过微克级NaCl来实现钨源的形核过程的控制，通过三温区中的独立温区实现硒源的控制，最终实现大面积、可控的WSe2生长。参照图1，本专利技术使用的管式炉为三温区炉，三个温区的温度分别由不同程序独立控制。管式炉配有气体流量控制装置，可控制炉中引入的气体种类及流量。参照图2，本专利技术的具体实现给出如下三种实施例：实施例1：制备尺寸为60μm的单层WSe2，步骤A，选用衬底并进行RCA标准清洗。选取两片在硅上沉积了一层二氧化硅的硅片作为衬底,将这两片衬底依次用去离子水、丙酮和异丙醇超声清洗5分钟，再用氮气枪吹干。步骤B，将清洗后的衬底盛放药品置于管式炉内。准备两只石英舟分别作为钨舟和硒舟，将1mg的NaCl溶于5mL的去离子水中备用，将20μL的盐溶液用移液枪滴在第一片衬底前端，再在热板上加热至去离子水完全气化；在第一片衬底中心盛放10mg的WO3粉末后，将其置于钨舟中,把第二片衬底盖在WO3上方的1mm位置，再将钨舟置于管式炉的高温区；在硒舟中加入50mg的Se粉末，并将硒舟置于管式炉的低温区。步骤C，生长单晶。在生长单晶的过程中通过对管式炉的升温、降温进行，如图3所示：C1)将高温区一次升温至150℃，使用500sccm的氩气吹扫反应腔体30分钟；C2)将氩气流量调节至50sccm，以30℃/min的速率对高温区进行二次升温，使WO3粉末本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.制备大面积单层二硒化钨单晶的方法，包括：(1)选取两片衬底，并采用标准RCA清洗工艺对其进行清洗，选取两只石英舟分别作为钨舟和硒舟；(2)将1‑100mg的NaCl溶于5mL去离子水中制成盐溶液，将5‑20μL的盐溶液滴在第一片衬底前端，再在热板上加热至去离子水完全气化；(3)在第一片衬底中心盛放3‑300mg的WO3后，将其置于钨舟中,把第二片衬底盖在WO3上方的1mm‑10mm位置，再将钨舟置于管式炉高温区，随后在硒舟中加入50‑150mg的硒粉，并将硒舟置于管式炉低温区；(4)将高温区升温至100‑150℃，使用500sccm流量的氩气吹扫反应腔体15分钟到2小时；(5)将氩气流量调节至10sccm‑200sccm,同时使高温区迅速升温至300‑700℃；(6)降低升温速率，在高温区温度达到600‑850℃时，对低温区独立加热，使其中的硒融化并与WO3反应10‑60分钟；(7)自然降温，待温度降至100℃以下，将样品取出密封，即完成尺寸为10μm‑60μm的单层二硒化钨单晶的制备。

【技术特征摘要】
1.制备大面积单层二硒化钨单晶的方法，包括：(1)选取两片衬底，并采用标准RCA清洗工艺对其进行清洗，选取两只石英舟分别作为钨舟和硒舟；(2)将1-100mg的NaCl溶于5mL去离子水中制成盐溶液，将5-20μL的盐溶液滴在第一片衬底前端，再在热板上加热至去离子水完全气化；(3)在第一片衬底中心盛放3-300mg的WO3后，将其置于钨舟中,把第二片衬底盖在WO3上方的1mm-10mm位置，再将钨舟置于管式炉高温区，随后在硒舟中加入50-150mg的硒粉，并将硒舟置于管式炉低温区；(4)将高温区升温至100-150℃，使用500sccm流量的氩气吹扫反应腔体15分钟到2小时；(5)将氩气流量调节至10sccm-2...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢涌，马晓华，何皓，南塘，王湛，吴瑞雪，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61