用于原子层过渡金属二硫属化物的直接图形化生长的方法技术

一种图形化的过渡金属二硫属化物单层的直接生长的方法，该方法包括以下步骤：提供由掩模覆盖的衬底，掩模具有由一个或多个成形孔洞限定的图形；通过一个或多个成形孔洞将盐热沉积在衬底上，使得沉积盐以掩模图形设置在衬底上；以及将过渡金属氧化物和硫族元素热共沉积到沉积盐上，以形成具有掩模图形的图形化的过渡金属二硫属化物单层。还提供了根据本方法制备的图形化的过渡金属二硫属化物单层。

A method of direct graphic growth of transition metal disulfides in atomic layer

A method for the direct growth of a patterned transition metal disulfide monolayer includes the following steps: providing a substrate covered by a mask having a pattern defined by one or more shaped holes; depositing salt on the substrate by means of one or more shaped holes, making the deposited salt set on the substrate by the mask pattern; and depositing transition metal oxides and Chalcogenides are thermally co deposited on deposited salts to form a patterned transition metal disulfide monolayer with a mask pattern. A graphical transition metal disulfide monolayer prepared according to the method is also provided.

【技术实现步骤摘要】
用于原子层过渡金属二硫属化物的直接图形化生长的方法相关申请的交叉引用本申请要求2018年5月31日提交的美国临时申请No.62/678802的优先权。该优先权申请的公开内容通过引用整体并入本文。
技术介绍
原子层过渡金属二硫属化物(TMDs)由于其有前途的光电属性和催化属性以及新一代电路而成为深入研究的主题。在电路中使用TMDs不仅需要保持与单层材料的低接触电阻，而且还需要与具有必要图形化的非常精细的光刻工艺兼容。然而，利用光刻工艺是复杂的，因为不仅掩模分辨率问题而且所需的反应离子蚀刻都可能无意地改变TMD单层的固有属性。因此，对于这些材料的持续性挑战不仅在于大单层域的合成，而且还在于根据电路设计控制它们的生长图形。
技术实现思路
根据一些方面，本公开涉及用于图形化的TMD单层直接生长的方法，其包括将盐沉积在衬底上，其中该衬底由具有图形化形状的掩模覆盖，以在该衬底上形成预沉积的图形化盐；和将过渡金属氧化物和硫族元素热共沉积到位于该衬底上的该预沉积的图形化盐上，以在该预沉积的图形化盐上形成图形化的TMD单层。本公开还涉及制备TMD单层的方法，其包括提供衬底，将盐沉积在该衬底上，和将过渡金属氧化物和硫族元素沉积到该沉积盐上，以形成该TMD单层。附图说明图1示出了根据本公开的一些方面用于通过掩模在加热衬底上热沉积图形化盐层的示例方案。图2示出了根据本公开的一些方面用于在真空室中的冷却衬底上热沉积盐的示例方案。图3示出了根据本公开的一些方面用于在衬底上沉积图形化的TMD单层的示例方案。图4示出了根据本公开的一些方面图形化的预沉积盐和已生长的MoS2的扫描电子显微镜(SEM)图像。图5示出了根据本公开的一些方面生长的图形化MoS2的拉曼(Raman)和光致发光(PL)光谱和映射。图6示出了根据本公开的方面使用位于不具有掩模的衬底上的预沉积盐来生长衬底规模的连续MoS2单层的光学和SEM图像。具体实施方式以下结合附图阐述的详细描述旨在作为各种构造的描述，而无意表示可实践本文所描述的概念的唯一构造。出于提供对各种概念的透彻理解的目的，该详细描述包括具体细节。然而，对于本领域技术人员来说明显的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践这些概念。本公开描述了一种新研发的方法，其用于二硫化钼(MoS2)和/或其他过渡金属二硫属化物材料的原子层的直接图形化生长。通过使用盐作为中间材料或模板材料已经实现了图形化生长。具体地，盐可以通过具有期望图形的掩模沉积在衬底上。该方法导致原子层MoS2(或其他金属二硫属化物材料)的各种图形的生长，该图形与由预先沉积的盐制成的图形相同。由此得到的材料已经被扫描电子显微镜以及拉曼和光致发光光谱确认。本公开的方法可以包括将盐沉积在衬底上，其中该衬底由具有图形化形状的掩模覆盖，以在该衬底上形成预沉积的图形化盐；和将过渡金属氧化物和硫族元素热共沉积到该预沉积的图形化盐上，以形成图形化单层。然而，应当理解，根据一些方面，如本文所述的盐可以在没有图形的情况下沉积。例如，根据一些方面，如本文所述的方法可以在没有掩模的情况下执行，从而在该衬底的完整表面上提供盐。采用这种方式，可以在该衬底的约整个表面上提供连续的过渡金属二硫属化物材料。应当理解，虽然本公开描述了用于图形化MoS2单层的直接生长的方法，其使用二氧化钼(MoO2)作为过渡金属氧化物，并使用硫(S)作为硫族元素，但是根据如本文所述的方法可以制备各种图形化单层。例如，根据一些方面，通过使用二氧化钨(WO2)和/或三氧化钨(WO3)作为如本文所述的过渡金属氧化物，和/或通过使用硒(Se)作为如本文所述的硫族元素，该单层可包括二硫化钨(WS2)和/或二硒化钼(MoSe2)。如本文所用，术语“约”定义为接近本领域普通技术人员所理解的。在一个非限制性实施例中，术语“约”定义为在10％之内，优选地在5％之内，更优选地在1％之内，最优选地在0.5％之内。如本文所用，术语“盐”是指具有阳离子和阴离子的电中性离子化合物。根据一些方面，盐能够至少部分地提供具有大尺寸(例如，介于约20μm至200μm之间)域的单层单晶，和/或通过钝化域的边缘来减少生长中的单层膜的应变。不希望受到理论的束缚，大尺寸域可以至少部分地通过有助于成核和/或改变膜生长模式的盐来实现，特别是将膜生长的模式从Volmer-Weber(VW，即，岛状生长)或Stranski-Krastanov(SK，即层状加岛状)变为Frank-vanderMerwe(FM，即逐层生长)。根据一些方面，从VW或SK到FM的转变可以至少部分地归因于衬底表面的改变(例如，表面张力和/或可湿性)和/或由盐的阳离子提供的界面能量的改变。根据本公开的盐有用性的示例包括但不限于钠盐和钾盐，例如NaBr、NaCl、KBr、KCl及其组合。应当理解，尽管NaBr在本文中用作示例性的盐，但是可以使用任何合适的盐作为其补充或替代。根据一些方面，衬底可以是适合根据本文所述方法使用的任何惰性材料。根据本公开的有用的衬底示例包括但不限于包括SiO2、Si、c-蓝宝石、氟金云母、SrTiO3、h-BN或其组合的衬底，或者由SiO2、Si、c-蓝宝石、氟金云母、SrTiO3、h-BN或其组合组成的衬底。应当理解，尽管SiO2衬底在本文中用作示例性的衬底，但是可以使用任何合适的衬底作为其补充或替代。如图1所示，该方法可以包括为衬底11，例如Si/SiO2衬底，提供具有图形化形状的掩模12。如本文所用，术语“掩模”是指适合于提供如本文所述的图形化形状的任何装置。根据一些方面，该掩模可以包括薄材料，该薄材料具有大致对应于衬底尺寸的尺寸，并且包括图形化形状。根据一些方面，该掩模的厚度可以是约0.01至0.5mm，可选地约0.01至0.4mm，以及可选地为约0.3mm。根据一些方面，该掩模可包括金属合金，例如不锈钢。根据一些方面，该图形化形状可以由掩模中的单个成形孔洞(voids)或成形孔洞阵列限定。该孔洞可以是任何形状，并且可以适当地确定尺寸(例如，从100nm到1cm)，以限定其面积小于衬底的其上设置有掩模的面的表面积。根据一些方面，该图形化形状可以由成形孔洞的20×20阵列限定，可选地由15×15阵列限定，可选地由10×10阵列限定，以及可选地由5×5阵列限定。根据一些方面，该孔洞可以大致呈圆形，并且直径可以介于约1μm和600μm之间，可选地介于约100μm和500μm之间，可选地介于约200μm和400μm之间，以及可选地为约300μm。根据一些方面，由掩模12覆盖的Si/SiO2衬底11可以设置在包含有盐(例如NaBr)的第一托盘13的上方，使得衬底11的由掩模12覆盖的面接触盐(在本文中可替代地描述为“面朝下”位置)。第一托盘13可以具有任何形状和尺寸。术语“托盘”没有特别限制，并且合适的托盘包括但不限于称量盘、坩埚、烧瓶或其他能够承受本文公开的方法的温度漂移的容器。被掩盖的Si/SiO2衬底11可以适当地面朝下设置在NaBr的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种图形化的过渡金属二硫属化物单层的直接生长的方法，所述方法包括：/n提供由掩模覆盖的衬底，所述掩模具有由一个或多个成形孔洞限定的图形；/n通过所述一个或多个成形孔洞将盐热沉积在所述衬底上，使得沉积盐以所述掩模的所述图形设置在所述衬底上；和/n将过渡金属氧化物和硫族元素热共沉积到所述沉积盐上，以形成具有所述掩模的所述图形的所述图形化的过渡金属二硫属化物单层。/n

【技术特征摘要】
20180531 US 62/678,802;20181212 US 16/217,8451.一种图形化的过渡金属二硫属化物单层的直接生长的方法，所述方法包括：
提供由掩模覆盖的衬底，所述掩模具有由一个或多个成形孔洞限定的图形；
通过所述一个或多个成形孔洞将盐热沉积在所述衬底上，使得沉积盐以所述掩模的所述图形设置在所述衬底上；和
将过渡金属氧化物和硫族元素热共沉积到所述沉积盐上，以形成具有所述掩模的所述图形的所述图形化的过渡金属二硫属化物单层。


2.根据权利要求1所述的方法，其中，通过所述一个或多个成形孔洞将所述盐热沉积在所述衬底上包括：
将由所述掩模覆盖的所述衬底设置在包含有所述盐的第一托盘上，使得所述衬底的由所述掩模覆盖的面接触所述盐；和
将由所述掩模覆盖的所述衬底和所述盐加热到第一温度。


3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第一温度介于约600℃和900℃之间。


4.根据权利要求1所述的方法，其中，通过所述一个或多个成形孔洞将所述盐热沉积在所述衬底上包括：
将由所述掩模覆盖的所述衬底设置在加热装置中的第一托盘上，使得所述衬底的由所述掩模覆盖的面与所述第一托盘相对；
将包含有所述盐的盐托盘设置在所述加热装置中；
将所述加热装置抽空至不超过约200毫托的减压；
将所述盐托盘独立地加热至沉积温度，
其中位于所述第一托盘上的由所述掩模覆盖的所述衬底保持在冷却温度，所述冷却温度不同于所述沉积温度。


5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述冷却温度不超过约100℃。


6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述沉积温度介于100℃和1100℃之间。


7.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述过渡金属氧化物和所述硫族元素热共沉积到所述沉积盐上包括：
将具有所述沉积盐的所述衬底设置在加热装置中，其中所述衬底位于包含有所述过渡金属氧化物的过渡金属氧化物托盘上，使得所述衬底的具有所述沉积盐的面接触所述过渡金属氧化物；
将包含有硫族元素的硫族元素托盘设置在所述加热装置中，相对于惰性气体流处于所述过渡金属氧化物托盘的下游；
将具有所述沉积盐的...

【专利技术属性】
技术研发人员：李煦凡，A·哈鲁特尤亚恩，
申请(专利权)人：本田技研工业株式会社，
类型：发明
国别省市：日本;JP