一种生长在蓝宝石衬底上的硫化钼二维材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种生长在Sappire衬底上的MoS

A preparation method of molybdenum sulfide two-dimensional material grown on sapphire substrate

【技术实现步骤摘要】
一种生长在蓝宝石衬底上的硫化钼二维材料的制备方法
本专利技术涉及MoS2二维材料
，具体涉及一种生长在蓝宝石衬底上的硫化钼二维材料的制备方法。
技术介绍
单层过渡金属硫属化物，因为在力学、热学、光学、电学等基础物理学方面有着诸多优异特性，近年来受到了人们广泛关注。其中，单层二硫化钼是最典型的过渡金属硫属化物，由于来源广泛，相对稳定性好，更多的被人们研究。到目前为止，人们发现，单层半导体二硫化钼可以用来制作压电晶体管、发电机、超灵敏光电探测器、手性发光晶体管、高性能集成电路等。实现这些器件的实际应用，最为基础的便是大规模可控制备高质量单层二硫化钼样品以及将样品制作成器件所需结构。目前，人们已经发展了多种制备二硫化钼的方法，我们大体上可以将这些方法分为化学剥离法、机械剥离法、物理沉积、化学气相沉积。其中，剥离方法虽然操作简单，但是所得到的样品的形状尺寸不规则，也很难将样品剥离至单层，并且剥离过程中引入的残胶对于后期的器件制备和性能均有很大影响；而物理气相传输是采用粉末硫化钼源，已经被证明可以生长高光学质量的微米量级的单晶单层二硫化钼样品，但生长出来的单晶普遍尺寸较小。相比之下，MOCVD(Metal-organicChemicalVaporDeposition，金属有机化合物化学气相沉淀)方法是制备大尺寸均匀二维材料的最佳方法。同时，二维材料的物理化学性能是可以通过改变化学气相沉积的条件实现的，因此，本专利技术采用MOCVD方法制备MoS2二维材料。想要生长厚度可控、大规模高质量的MoS2材料，衬底的晶格匹配至关重要，同时MoS2的形核阶段最为关键。目前形核密度、大小、晶粒取向还在探索中。
技术实现思路
为了克服现有技术存在的上述缺点与不足，本专利技术的目的在于提供一种生长在Sapphire(蓝宝石)衬底上的MoS2(硫化钼)二维材料及其制备方法。所述方法可有效控制MoS2形核密度，均匀性，以及晶粒取向，且具有可行性高的优点。本专利技术的目的通过如下技术方案实现：一种生长在Sapphire(蓝宝石)衬底上的MoS2(硫化钼)二维材料的制备方法，包括以下步骤：(1)采用蓝宝石衬底；(2)将蓝宝石衬底置于MOCVD设备腔内，通入保护性气体；(3)将MOCVD设备腔升温至生长温度900℃～1100℃，恒温保持2～15分钟，先通入H2S作为硫气源，H2S通入5～20分钟之后再通入2×10-5～9×10-5slmMo(CO)6气源，同时保持H2S的通入，在生长温度900℃～1100℃进行MoS2恒温生长2-20分钟，恒温生长完成后得到生长在Sapphire(蓝宝石)衬底上的MoS2(硫化钼)二维材料。步骤(1)中，所述的蓝宝石衬底的外延生长面为α-Al2O3，不进行沉积腔外预处理，而在后续送入MOCVD腔内进行原位预处理。另外，传统方法会对Sapphire衬底进行高温O2预处理几小时，而此方法只需在MOCVD沉积腔内进行10分钟H2S原位预处理，大大节省了时间。步骤(2)中，所述的保护性气体为N2。所述的MOCVD设备腔内压强控制在15Torr～25Torr，所述的N2的通入量为15～25slm。最优选的，所述的MOCVD设备腔内压强控制在20Torr。所述的MOCVD设备腔内N2的通入量为20slm(standardlitreperminute，标准状态下每分钟1L流量)，腔内压强保持在20Torr。步骤(3)中，将MOCVD设备腔升温至生长温度900℃～1100℃，恒温保持2～15分钟，进一步优选，将MOCVD设备腔8～11分钟缓慢升温至生长温度950℃～1050℃，恒温保持4～8分钟，最优选，将MOCVD设备腔10分钟缓慢升温至生长温度1000℃，恒温保持5分钟。先通入H2S作为硫气源，所述的H2S的通入量为0.05～0.5slm，H2S通入5～15分钟之后再通入Mo(CO)6气源，最优选的，先通入H2S作为硫气源，所述的H2S的通入量为0.1slm，H2S通入10分钟之后再通入气源，用以钝化Sapphire衬底表面。首先以H2S作为硫气源，相较于(C2H5)S气源，减少了热分解后的碳原子对衬底表面的污染。同时传统生长MoS2采用预先沉积Mo金属，或者利用MoOx粉末，事先推入CVD腔内，进行硫化。这会造成Mo源材料剂量不可随意调整。而本专利技术是利用H2S气源，先对sapphire衬底进行高温原位钝化，再通入Mo气源进行化学气相沉积，气源流量可独立、随意控制，也避免了衬底预处理后暴露空气造成的污染。同时，实验证明，经过H2S高温原位钝化预处理，Sapphire的表面形貌会发生改变，有利于后续MoS2晶粒的取向一致性，从而避免了不同取向晶粒缝合所造成的晶粒边界。而晶粒边界的存在会严重影响薄膜的光、电特性。所述的Mo(CO)6气源的通入量为2×10-5～9×10-5slm，进一步优选为4×10-5～6×10-5slm，最优选的为5×10-5slmMo(CO)6。H2S通入5～15分钟之后再通入Mo(CO)6气源，同时保持H2S的通入，在生长温度950℃～1050℃进行MoS2恒温生长3-15分钟，最优选的，H2S通入10分钟之后再通入Mo(CO)6气源，同时保持H2S的通入，在生长温度1000℃进行MoS2恒温生长5分钟。本专利技术可以在20分钟内完成单层MoS2薄膜生长，与传统耗时几小时的方法，大大节约了成本。由于利用H2S对sapphire衬底进行了高温原位钝化预处理，与传统没有预处理的方法相比，单层薄膜的拉曼光谱特性提到提高，表征单晶质量的特征普峰E2g的半峰宽(FWHM)拉曼位移由2.99cm-1改善到2.66cm-1，表征掺杂的特征双峰谱强度比E2g/A1g也由0.82提高到1.1，预示了更好的电特性。而C-AFM表征证明，通过H2S预处理，薄膜电流特性由22nA提高到了280nA。恒温生长完成后，先停止Mo(CO)6气源，保持通入H2S气源，然后降温，降温后停止H2S气源通入，得到生长在Sapphire(蓝宝石)衬底上的MoS2(硫化钼)二维材料。所述停止H2S气源，压强保持在20Torr，N2气体保持在20slm，取出厚度为1-2单层MoS2样品。最优选的，一种生长在Sapphire(蓝宝石)衬底上的MoS2(硫化钼)二维材料的制备方法，包括以下步骤：(1)采用蓝宝石衬底；(2)将蓝宝石衬底置于MOCVD设备腔内，通入保护性气体，所述的保护性气体为N2，所述的N2的通入量为15～25slm，所述的MOCVD设备腔内压强控制在15Torr～25Tor，；(3)将MOCVD设备腔10分钟缓慢升温至生长温度1000℃，恒温保持5分钟，先通入H2S作为硫气源，所述的H2S的通入量为0.1slm，H2S通入10分钟之后再通入Mo(CO)6气源，所述的Mo(CO)6气源的通入量为5×10-5slm，同时保持H2S的通入，在生长温度1000℃进行MoS2恒温生长5分钟，恒温生长完成后，先停止Mo(CO)6气源，保持通入H2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种生长在蓝宝石衬底上的硫化钼二维材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)采用蓝宝石衬底；/n(2)将蓝宝石衬底置于MOCVD设备腔内，通入保护性气体；/n(3)将MOCVD设备腔升温至生长温度900℃～1100℃，恒温保持2～15分钟，先通入H

【技术特征摘要】
1.一种生长在蓝宝石衬底上的硫化钼二维材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)采用蓝宝石衬底；
(2)将蓝宝石衬底置于MOCVD设备腔内，通入保护性气体；
(3)将MOCVD设备腔升温至生长温度900℃～1100℃，恒温保持2～15分钟，先通入H2S作为硫气源，H2S通入5～20分钟之后再通入Mo(CO)6气源，同时保持H2S的通入，在生长温度900℃～1100℃进行MoS2恒温生长2-20分钟，恒温生长完成后得到生长在蓝宝石衬底上的硫化钼二维材料。


2.根据权利要求1所述的生长在蓝宝石衬底上的硫化钼二维材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的保护性气体为N2。


3.根据权利要求2所述的生长在蓝宝石衬底上的硫化钼二维材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的N2的通入量为15～25slm。


4.根据权利要求1所述的生长在蓝宝石衬底上的硫化钼二维材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的MOCVD设备腔内压强控制在15Torr～25Torr。


5.根据权利要求1所述的生长在蓝宝石衬底上的硫化钼二维材料的制备方法，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：莫炯炯，王志宇，陈华，郁发新，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33