一种原位控制法制备过渡金属硫属化物平面异质结的方法技术

本发明专利技术公开了一种原位控制法制备过渡金属硫属化物平面异质结的方法，属于二维半导体材料技术领域。本发明专利技术利用目前公认的最有效生长的化学气相沉积法制备过渡金属硫属化物平面异质结，相比现有的两步法生长，本发明专利技术使用钼酸铵((NH

【技术实现步骤摘要】
一种原位控制法制备过渡金属硫属化物平面异质结的方法
本专利技术涉及一种原位控制法制备过渡金属硫属化物平面异质结的方法，属于二维半导体材料

技术介绍
二维层状过渡金属硫属化合物(TMDs)一般由两个硫族元素和一个金属元素构成，即MX2，其中M＝钼(Mo)、钨(W)；X＝硫(S)、硒(Se)，TMDs由于其出色的光学，电子和机械性能而受到了广泛的关注。TMDs由于具有相对较大的带隙，当厚度逐渐减小为单层，其能带结构从间接带隙过渡到直接带隙，强自旋轨道耦合产生的独特手性光电子特性，使它们提供了令人兴奋的机会来研究新型低功耗数字电子和光电设备。此外，这些MX2单分子层可以通过堆叠/组合来创建具有独特几何特征和能带结构的新型垂直或横向异质结构，其中平面异质结能够表现出的内在p-n结特性，例如整流特性和光伏效应，有望应用于未来的微纳光电子器件。目前制备二维层状过渡金属硫属化合物(TMDs)异质结的方法包括：1.通过机械堆叠形成垂直异质结。使用共层压和机械转移技术在280nm厚的SiO2涂层的Si基板上制造备范德华堆叠的MoS2/WSe2异质结器件，观察到跨p-n界面的可调谐二极管状电流整流和光伏响应。(LeeC-H,LeeG-H,VanDerZandeAM,etal.Atomicallythinp-njunctionswithvanderWaalsheterointerfaces[J].NatureNanotechnology,2014,9(9):676-681)；2.化学气相沉积(CVD)“一步”法。将水溶性溶液四水合钼酸铵(NH4)6Mo7O24·4H2O和钨酸铵水合物(NH4)10W12O41·xH2O作为钼源和钨源，通过一步式常压CVD形成高质量的WS2/MoS2平面内异质结构。(ChenK,WanX,XieW,etal.LateralBuilt-InPotentialofMonolayerMoS2-WS2In-PlaneHeterostructuresbyaShortcutGrowthStrategy[J].AdvancedMaterials,2015,27(41):6431)；3.CVD“两步”生长法。MoSe2首先是通过CVD方法生长，然后将生长中的MoSe2/SiO2/Si转移到另一个CVD装置中，沿着MoSe2的边缘和顶表面外延生长WSe2、MoSe2。跨MoSe2单层和WSe2/MoSe2双层的电子和光电传输测量显示出清晰的整流特性和光伏效应，表明形成了p-n异质结。然而从第一个CVD装置转移到第二个CVD装置期间，MoSe2的边缘在暴露于环境条件后可能被钝化(GongY,LeiS,YeG,etal.Two-StepGrowthofTwo-DimensionalWSe2/MoSe2Heterostructures[J].NanoLetters,2015,15(9):6135-6141)。虽然异质结的种类和制备方法越来越多，但大多都使用固体源作为前驱体。在实验中所需要的前驱体量一般很少，这就会导致用天平量取前驱体时存在一定的误差，这对于异质结生长窗口的精准控制带来了阻碍。因此，为了精准控制前驱体，专利技术人之前探索了利用水溶性前驱体制备二维层状过渡金属硫属化合物异质结制备方法。一种为采用两步横向外延生长策略生长WS2/MoS2横向异质结构。首先，使用传统的常压化学气相沉积(APCVD)和三氧化钼(MoO3)粉末作为前体，在干净的SiO2/Si衬底上合成MoS2纳米片。然后将样品快速放入另一个炉子中进行第二步WS2生长，将水溶性钨酸铵水合物(NH4)10W12O41·xH2O溶液放入石英舟中，然后在250℃加热1小时以除去溶剂。将带有MoS2纳米片的SiO2/Si基板安装在石英舟的顶部，MoS2向下面对钨酸铵，从而外延生长WS2。但是从一个CVD炉转向另一个CVD炉加大了污染、样品钝化的可能性。从而引出了另一种制备方法。将作为钼源和钨源的水溶性溶液四水合钼酸铵(NH4)6Mo7O24·4H2O和钨酸铵水合物(NH4)10W12O41·xH2O放入两个分开的石英舟中，并在热板上于250℃加热1h以去除溶剂，从而在石英中形成均匀的钼酸铵和钨酸铵薄层，作为钼源和钨源。由于这些前驱物的薄层可以很好地附着在石英舟的底部，因此可以安全地将其正面朝下。将清洁的SiO2/Si基板与包含钼酸铵的石英舟紧密倾斜，一同放置在更大的石英舟中。将这一装置放置在石英管中心加热温区，首先升温至700℃生长10min形成MoS2纳米片，然后5分钟升温至850℃，并保持在850℃，以使WS2沿外延生长，形成高质量的WS2/MoS2平面内异质结构。但是钼源和钨源被放置在了同一温区，在780℃时，钼源大量挥发，同时也有少量钨源挥发，导致生长过程中出现了交叉污染，而且容易生成合金，无法对过程进行很好的控制。
技术实现思路
[技术问题]为了精准控制前驱体，专利技术人之前探索了利用水溶性前驱体制备二维层状过渡金属硫属化合物异质结制备方法。其中一种为采用两步横向外延生长策略生长WS2/MoS2横向异质结构，但该方法需要从一个CVD炉转向另一个CVD炉，加大了污染、样品钝化的可能性。另一种方法将钼源和钨源的水溶性前驱体一同放置进行加热，首先升温至700℃生长MoS2纳米片，然后升温至850℃使WS2沿外延生长，形成高质量的WS2/MoS2平面内异质结构。但因为该方法将钼源和钨源被放置在了同一温区，在780℃时，钼源大量挥发，同时也有少量钨源挥发，导致生长过程中出现了交叉污染，而且容易生成合金，无法对过程进行很好的控制。[技术方案]针对上述问题，本专利技术提供了一种制备二维层状过渡金属硫属化合物平面异质结方法，使用钼酸铵((NH4)6Mo7O24·4H2O)与钨酸铵((NH4)10W12O41·xH2O)的溶液来作为前驱体，钼酸铵和钨酸铵具备环保、便宜、稳定和易溶于水等优点；采用原位控制水溶液前驱体制备出了高质量的平面异质结；并且所得产品尺寸大，应用更为广泛和成熟，可满足工业化的需求。本专利技术提供了一种制备二维层状过渡金属硫属化合物平面异质结方法，所述方法主要包括以下步骤：(1)处理衬底；(2)分别配制钼源和钨源的前驱体溶液；(3)将步骤(2)中所述钼源和钨源的前驱体溶液加热烤干作为钼源和钨源，将钼源和钨源放入管式炉中，并在管式炉中放置好步骤(1)中处理好的衬底，以及硫或硒源；(4)沉积钼源：向管式炉中通入载气，管式炉加热至温度达到750～780℃时，将钼源移动到衬底正下方，硫或硒蒸汽在载气的作用下挥发至钼源处发生反应，并在衬底上沉积MoS2或MoSe2；(5)沉积钨源：步骤(4)沉积钼源结束后，继续升温，升温至850～880℃后，将钨源移动到步骤(4)中沉积了钼源的衬底的正下方，在衬底上继续沉积WS2或WSe2；(6)生长结束后，并通入氩气以冲走未反应的钼源和钨源以及加速降温，待自然冷却至室温，取出样品，即得到平面异质结。在本专利技术的一种实施方式中，步骤(1)中所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制备二维层状过渡金属硫属化合物平面异质结的方法，其特征在于，主要包括以下步骤：/n(1)处理衬底；/n(2)分别配制钼源和钨源的前驱体溶液；/n(3)将步骤(2)中所述钼源和钨源的前驱体溶液加热烤干作为钼源和钨源，将钼源和钨源放入管式炉中，并在管式炉中放置好步骤(1)中处理好的衬底，以及硫源或硒源；/n(4)沉积钼源：向管式炉中通入载气，管式炉加热至温度达到750～780℃时，将钼源移动到衬底正下方，硫或硒蒸汽在载气的作用下挥发至钼源处发生反应，并在衬底上沉积MoS

【技术特征摘要】
1.一种制备二维层状过渡金属硫属化合物平面异质结的方法，其特征在于，主要包括以下步骤：
(1)处理衬底；
(2)分别配制钼源和钨源的前驱体溶液；
(3)将步骤(2)中所述钼源和钨源的前驱体溶液加热烤干作为钼源和钨源，将钼源和钨源放入管式炉中，并在管式炉中放置好步骤(1)中处理好的衬底，以及硫源或硒源；
(4)沉积钼源：向管式炉中通入载气，管式炉加热至温度达到750～780℃时，将钼源移动到衬底正下方，硫或硒蒸汽在载气的作用下挥发至钼源处发生反应，并在衬底上沉积MoS2或MoSe2；
(5)沉积钨源：步骤(4)沉积钼源结束后，继续升温，升温至850～880℃后，将钨源移动到步骤(4)中沉积了钼源的衬底的正下方，在衬底上继续沉积WS2或WSe2；
(6)生长结束后，并通入氩气以冲走未反应的钼源和钨源以及加速降温，待自然冷却至室温，取出样品，即得到平面异质结。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述衬底为Si或SiO2。


3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中以(NH4)6Mo7O24·4H2O为原料，配制钼源的前驱体溶液；以(NH4)10W12O41·xH2O为原料，配制钨源的前驱体溶液。


4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中将步骤(2)中所述钼源和钨源的前驱体溶液分别放入两个石英舟中，加热烤干作为钼源和钨源，之后将装有钨源和钼源的两个石英舟分放在另一个带拉环的石英舟的左右两...

【专利技术属性】
技术研发人员：万茜，顾嫣芸，陈琨，
申请(专利权)人：江南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32