远程氮等离子体掺杂过渡金属硫族化合物的方法技术

本发明专利技术属于光电和电子器件材料技术领域，具体为远程氮等离子体掺杂过渡金属硫族化合物的方法。本发明专利技术方法包括：制备单层或少层的过渡金属硫族化合物；将过渡金属硫族化合物样品放入远程氮等离子体装置；体系采用高真空系统，压力为<10

Long range nitrogen plasma doping of transition metal chalcogenides

【技术实现步骤摘要】
远程氮等离子体掺杂过渡金属硫族化合物的方法
本专利技术属于光电和电子器件材料
，具体涉及氮掺杂的过渡金属硫族化合物的制备方法。
技术介绍
过渡金属硫族化合物（TMD）具有非零的带隙、高的导电性和迁移率、良好的化学和热稳定性，以及杰出的机械强度等性质，在光电和电子器件领域具有广泛的应用。由于天然的硫缺陷的存在，通常制备的二硫化钼MoS2的场效应晶体管仅仅表现出n型的电学性质。为了实现同质结或异质结的制备，需要对MoS2进行p型的掺杂。目前实现二硫化钼p型掺杂的方法有很多，比较常用的是表面电荷转移掺杂和取代掺杂。表面电荷转移掺杂来自于吸附在MoS2表面的材料和MoS2之间的电子交换。这种掺杂不改变MoS2的结构，但由于掺杂分子与MoS2未形成共价键，所以此类掺杂一般不能持久稳定。取代掺杂是另外一种有效的实现MoS2掺杂的方法，MoS2晶格中的Mo或S原子被不同价电子的其它原子取代。这种方式的掺杂原子存在于MoS2晶格中，但是MoS2的主要晶体结构保持，此类方法可以实现MoS2稳定且可控的掺杂。取代掺杂目前比较常用处理方法有热处理法和等离子体处理法。热处理法一般需要比较高的反应温度，而等离子体辅助掺杂法一般会存在表面刻蚀等负面效应。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对上述现有技术中的问题，提供一种远程氮等离子体掺杂单层或少层过渡金属硫族化合物的制备方法；该方法工艺简单，室温下反应，具有单层的掺杂精度，可实现过渡金属硫族化合物光学性质的连续可调，以及电学上的p型掺杂。本专利技术提供的远程氮等离子体掺杂单层或少层过渡金属硫族化合物的制备方法，具体步骤为：（1）采用机械剥离或者化学气相沉积法制备单层或少层（一般指十层以下）的过渡金属硫族化合物；（2）采用高真空体系，远程氮等离子体技术；将过渡金属硫族化合物样品放入远程氮等离子体装置，样品位置距等离子体产生辉光的尾部为0~60cm；体系采用高真空系统，压力为<10-3Pa，以减少体系中的杂质如氧气的影响；在体系中通入一定量的氮气，在功率为1~1000W的条件下处理1~1200s，即可制备氮掺杂过渡金属硫族化合物。反应完成后，对掺杂前后的过渡金属硫族化合物进行光谱和电学性质表征。本专利技术中，所述过渡金属硫族化合物为MX2，其中，M为Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo、W、Re或Pt；X为S、Se或Te。本专利技术中，所述通入的氮气，流速为1~5sccm。本专利技术中，优选样品位置距等离子体产生辉光的尾部L为5~30cm。本专利技术中，优选真空系统压力为10-5Pa<10-3Pa。本专利技术中，优选功率为100~600W，处理时间为100~1000s。本专利技术利用远程氮等离子体制备氮掺杂过渡金属硫族化合物，可以通过调节样品距等离子体发生器的距离，调控到达样品表面的氮活性种的能量，进而使一定浓度的氮活性种与过渡金属硫族化合物反应，实现过渡金属硫族化合物的无损氮掺杂。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：（1）采用远程氮等离子体方法，需求设备简单，适合现有的电子工业生产，室温反应；（2）本专利技术区别与表面电荷转移掺杂方法，在于反应中无溶液使用，避免杂质的引入；（3）本专利技术制备的氮掺杂过渡金属硫族化合物对材料无物理损坏或等离子体刻蚀，可以实现单层或少层TMD的无损氮掺杂；具有单层的掺杂精度；（4）本专利技术制备的氮掺杂过渡金属硫族化合物可以通过远程等离子中氮活性物质的浓度以及掺杂时间，实现不同浓度的氮掺杂，掺杂类型为p型掺杂，并能实现光谱的连续调控；（5）本专利技术可原位制备氮掺杂过渡金属硫族化合物，制备过程易于控制。这种制备方法可以实现过渡金属硫族化合物的大规模掺杂及过渡金属硫族化合物器件的批量表面掺杂处理。附图说明图1为远程氮等离子体反应装置和氮等离子体处理MoS2的反应示意图。其中，（a）远程氮等离子体反应装置示意图，随着距离增加，氮活性物种浓度降低，样品放在低浓度区域；（b）氮等离子体处理MoS2的反应示意图。黑色虚框标注的为N原子。图2远程氮等离子体处理单层MoS2的XPS，氮等离子体条件为2W处理60s；峰位置：Mo3p3/2和N1s。图3中，（a，b）为单层MoS2和远程氮气等离子体掺杂单层MoS2的原子力显微镜图像和对应的高度信息；（c，d）为少层MoS2和远程氮气等离子体掺杂少层MoS2的原子力显微镜图像和对应的高度信息。图4中，（a）为化学气相沉积法制备的单层MoS2和氮等离子体处理的单层MoS2的拉曼谱图；（b）为少层MoS2和氮等离子体处理的少层MoS2的拉曼谱图。（c）为化学气相沉积法制备的单层MoS2和氮等离子体处理的单层MoS2的光致发光光谱；（d）为少层MoS2和氮等离子体处理的少层MoS2的光学吸收谱。图5中，（a）为单层MoS2和经过不同等离子体处理时间的MoS2的拉曼光谱；（b）为从a图中得到的拉曼位移与等离子体处理时间的关系图。（c）为单层MoS2和经过不同等离子体处理时间的MoS2的光致发光光谱；（d）未从c图中得到的与等离子体处理时间的关系图。图6为单层MoS2和氮掺杂单层MoS2的场效应晶体管器件的漏极电流随栅电压变化的转移特性曲线；源漏电压为1V。图7中，（a）为单层WS2和经过不同等离子体处理时间的WS2的光致发光光谱；（b）为单层WS2和经过不同等离子体处理时间的WS2的拉曼光谱。图8为远程氮等离子体掺杂过渡金属硫族化合物示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术进一步阐述。实施方式中，远程氮等离子体反应装置可以自己搭建，包括一个等离子体发生器，体系采用分子泵组成的高真空系统，样品放置在距等离子体产生的辉光末端有一定距离的位置。实施例1：远程氮等离子体制备氮掺杂的单层二硫化钼第一步，采用化学气相沉积法制备单层二硫化钼。对制备的初始的二硫化钼进行拉曼光谱和光致发光光谱的表征。制备二硫化钼器件，测试初始二硫化钼的转移特性曲线；第二步，将二硫化钼或二硫化钼器件放入远程氮等离子体装置中，样品放置在距等离子体发生装置为40cm的位置（图1a）。采用分子泵进行抽真空，当体系压力达到10-3Pa时，通入3sccm的氮气，冲洗管路10min之后，打开等离子体，功率为2W，处理60s；第三步，对远程氮等离子体处理的二硫化钼进行X射线光电子能谱分析，证明氮元素的成功引入，掺杂浓度为7.9at.%（图2）；第四步，经过远程氮等离子体处理，单层MoS2的厚度基本不变，为1nm左右，粗糙度由0.14nm变至0.18nm，略微有所增加（图3a和b）。结果表明采用远程等离子体处理单层MoS2不会对材料造成明显的物理破坏或者等离子体刻蚀，是一种无损的掺杂方式；第五步，经过60s的远程氮等离子体处理，单层二硫化钼的拉曼光谱蓝移了4.9cm-1；光致发光光谱从1.81eV移动至1.9eV，发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种远程氮等离子体掺杂过渡金属硫族化合物的方法，其特征在于，具体步骤为：/n（1）采用机械剥离或者化学气相沉积法制备单层或少层的过渡金属硫族化合物；/n（2）将过渡金属硫族化合物样品放入远程氮等离子体装置，样品位置距等离子体产生辉光的尾部为0~60 cm；体系采用高真空系统，压力为<10

【技术特征摘要】
1.一种远程氮等离子体掺杂过渡金属硫族化合物的方法，其特征在于，具体步骤为：
（1）采用机械剥离或者化学气相沉积法制备单层或少层的过渡金属硫族化合物；
（2）将过渡金属硫族化合物样品放入远程氮等离子体装置，样品位置距等离子体产生辉光的尾部为0~60cm；体系采用高真空系统，压力为<10-3Pa，通入氮气，在功率为1~1000W的条件下处...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙正宗，轩宁宁，包文中，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：上海;31