一种晶圆级绝对单层过渡金属硫族化合物的制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种晶圆级绝对单层过渡金属硫族化合物的制备方法和应用，所述制备方法包括如下步骤：(1)对蓝宝石基底进行第一次退火处理，得到具有原子级平整表面的蓝宝石基底；(2)在步骤(1)得到的蓝宝石基底的原子级平整表面上加载过渡金属盐溶液，进行第二次退火处理，得到加载单分散过渡金属源的蓝宝石基底；(3)在所述加载单分散过渡金属源的蓝宝石基底上通过化学气相沉积的方法生长过渡金属硫族化合物。本发明专利技术提供的方法制备得到的二维材料为绝对单层，可实现晶圆级(两英寸、四英寸、八英寸、十二英寸)蓝宝石衬底上的批量制备，其晶体质量高、单晶尺寸大，且操作简单、成本低、易于工业化。于工业化。于工业化。

【技术实现步骤摘要】
一种晶圆级绝对单层过渡金属硫族化合物的制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及二维材料
，尤其涉及一种晶圆级绝对单层过渡金属硫族化合物(TMDs)的制备方法和应用。

技术介绍

[0002]单层过渡金属硫族化合物在单层电子学和光电子学领域具有潜在的应用前景。例如，MoS2的单层结构由于其直接带隙能量结构而成为构造p
‑
n结和晶体管的关键材料。二维MoS2的稳定结构为2H相，本征MoS2表现为n型半导体特性。MoS2的带隙具有层数依赖性，由块体(1.2eV)到单层(1.8eV)会发生间接带隙到直接带隙的转变。此外，单层MoS2在紫外
‑
可见光范围内具有较强的吸光性。这些特性使得单层MoS2在电子和光电器件应用方面都表现出潜在的应用前景，例如采用高电介质材料及高质量衬底制备的单层MoS2FET器件的迁移率可达200～400cm2V
‑1s
‑1。
[0003]然而，迄今为止报道的传统CVD法生长TMDs过程中总是伴随第二层、第三层的岛状生长，直接获得单层TMDs仍然非常困难。
[0004]CN110257906A公开了一种二维过渡金属硫族化合物晶体及其制备方法和用途，所述制备方法包括如下步骤：(1)在加热装置中，沿着气流方向依次放置硫族单质源和过渡金属氧化物源；所述过渡金属氧化物源的表面覆盖有分子筛；所述过渡金属氧化物源的上方放置有生长基底；(2)向所述加热装置中通入保护性气体，升温至所述过渡金属氧化物源的温度达到化学气相沉积温度、硫族单质源的温度达到单质挥发温度，进行化学气相沉积，得到所述二维过渡金属硫族化合物晶体。该方法中无法避免会产生双层或多层的二维过渡金属硫族化合物晶体，很难直接获得单层二维过渡金属硫族化合物晶体。
[0005]因此，本领域亟待需要一种简单可行的、批量制备大面积单层TMDs的方法。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的不足，本专利技术的目的之一在于提供一种过渡金属硫族化合物的制备方法，特别在于提供一种晶圆级绝对单层二维过渡金属硫族化合物的制备方法。所述制备方法能实现多种过渡金属硫族化合物及其二元、三元及四元合金的晶圆级绝对单层的批量制备，且操作方法简单。
[0007]为达此目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0008]本专利技术的目的之一在于提供一种过渡金属硫族化合物的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
[0009](1)对蓝宝石基底进行第一次退火处理，得到具有原子级平整表面的蓝宝石基底；
[0010](2)在步骤(1)得到的蓝宝石基底的原子级平整表面上加载过渡金属盐溶液，进行第二次退火处理，得到加载单分散过渡金属源的蓝宝石基底；
[0011](3)在所述加载单分散过渡金属源的蓝宝石基底上通过化学气相沉积的方法生长过渡金属硫族化合物。
[0012]本专利技术中，原子级平整表面指的是经退火后，蓝宝石衬底形成的完美暴露c
‑
plane晶面，其表面台阶符合蓝宝石衬底c
‑
plane晶面上晶胞排列的规则；单分散过渡金属源通过单分散技术实现，单分散技术指的是在蓝宝石衬底上，经高温退火后，与前驱体MoO3分子形成均匀的单分子层Al
‑
O
‑
Mo化学键，其特点是与衬底尺寸无关，因此该方法可用于不同晶圆尺寸上绝对单层过渡金属硫族化合物的制备，包括两英寸、四英寸、六英寸、八英寸及十二英寸等。
[0013]本专利技术对加载过渡金属盐溶液的蓝宝石基底进行退火处理，一方面，高温退火过程中过渡金属氧化物(例如MoO3)会与Al2O3基底(即蓝宝石基底)共用O原子，形成稳定的Mo
‑
O
‑
Al键；另一方面，过渡金属氧化物(例如MoO3)具有高挥发性，因而多余的过渡金属氧化物(例如MoO3)分子会在高温下挥发掉。最终能够形成加载单分散过渡金属氧化物源的蓝宝石基底，是一种晶圆级蓝宝石基底，在该基底上进行化学气相沉积，由于前驱体的绝对单分子层且与衬底有Al
‑
O
‑
Mo长程化学键的形成，因此，在硫化生长过程中受到有限前驱体分子浓度的限制，只能在衬底上形成一层过渡金属硫族化合物，不会有第二层甚至多层材料的生长，能够获得绝对单层的大尺寸(约50～135μm)过渡金属硫族化合物。
[0014]此外，本专利技术提供的制备方法能够实现多种过渡金属硫族化合物及其二元、三元及四元合金的晶圆级绝对单层的批量制备，包括如二硫化钼(MoS2)、二硫化钨(WS2)、二硒化钼(MoSe2)、二硒化钨(WSe2)、硒硫化钼合金(MoSe2‑
x
S
x
)、硒硫化钨合金(WSe2‑
x
S
x
)、硫化钼钨合金(W1‑
x
Mo
x
S2)、硒化钼钨合金(W1‑
x
Mo
x
Se2)、硫碲化钼合金(MoTe2‑
x
S
x
)、硒碲化钼合金(MoTe2‑
x
Se
x
)、硫碲化钨合金(WTe2‑
x
S
x
)、硒碲化钨合金(WTe2‑
x
Se
x
)、硒硫化钼钨合金(Mo1‑
y
W
y
Se2‑
x
S
x
)等13种二维原子晶体材料，其中，x、y代表过渡金属元素或硫族元素的化学计量数。
[0015]本专利技术所述“绝对单层”指的是随生长时间无限延长，不会有第二层出现，得到的样品中单层占比为100％。
[0016]本专利技术提供的制备绝对单层MoS2的技术，同样可用于其他过渡金属硫族化合物(包括合金)的制备。
[0017]优选地，步骤(1)中，所述第一次退火处理在所述蓝宝石基底的C面进行。
[0018]优选地，步骤(1)中，所述第一次退火处理的温度为1000
‑
1200℃，例如1050℃、1100℃、1150℃、1200℃等，优选1100℃。
[0019]优选地，步骤(1)中，所述第一次退火处理的时间为6
‑
10h，例如7h、8h、9h等，优选8h。
[0020]优选地，步骤(1)中，所述第一次退火处理的温度为1100℃，时间为8h。
[0021]优选地，步骤(2)中，所述过渡金属盐溶液包括钼酸铵溶液和/或钨酸铵溶液。
[0022]优选地，步骤(2)中，所述过渡金属盐溶液的溶剂包括无水乙醇和/或去离子水，优选去离子水和无水乙醇的组合。
[0023]优选地，步骤(2)中，所述过渡金属盐溶液的溶剂包括去离子水和无水乙醇的组合，且所述去离子水和无水乙醇的体积比为1:(1
‑
4)，例如1:1.5、1:2、1:2.5、1:3、1:3.5等，优选1:1.5。
[0024]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种晶圆级绝对单层过渡金属硫族化合物的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：(1)对蓝宝石基底进行第一次退火处理，得到具有原子级平整表面的蓝宝石基底；(2)在步骤(1)得到的蓝宝石基底的原子级平整表面上加载过渡金属盐溶液，进行第二次退火处理，得到加载单分散过渡金属源的蓝宝石基底；(3)在所述加载单分散过渡金属源的蓝宝石基底上通过化学气相沉积的方法生长过渡金属硫族化合物。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述第一次退火处理在所述蓝宝石基底的C面进行；优选地，步骤(1)中，所述第一次退火处理的温度为1000
‑
1200℃，优选1100℃；优选地，步骤(1)中，所述第一次退火处理的时间为6
‑
10h，优选8h；优选地，步骤(1)中，所述第一次退火处理的温度为1100℃，时间为8h。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述过渡金属盐溶液包括钼酸铵溶液和/或钨酸铵溶液；优选地，步骤(2)中，所述过渡金属盐溶液的溶剂包括无水乙醇和/或去离子水，优选去离子水和无水乙醇的组合；优选地，步骤(2)中，所述过渡金属盐溶液的溶剂包括去离子水和无水乙醇的组合，且所述去离子水和无水乙醇的体积比为1:(1
‑
4)，优选1:1.5；优选地，步骤(2)中，所述过渡金属盐溶液的浓度为0.0005
‑
0.05mol/L，优选0.0005mol/L；优选地，步骤(2)中，所述加载过渡金属盐溶液的方法包括滴涂或旋涂，优选旋涂；优选地，步骤(2)中，所述加载过渡金属盐溶液的体积为2
‑
20μL，优选10μL。4.根据权利要求1
‑
3中任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述第二次退火处理的温度为800
‑
1000℃，优选800℃；优选地，步骤(2)中，所述第二次退火处理的时间为6
‑
10h，优选8h；优选地，步骤(2)中，所述第二次退火处理的温度为800℃，优选8h。5.根据权利要求1
‑
4中任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)具体包括：将硫族单质粉末与所述加载单分散过渡金属源的蓝宝石基底按照气流方向依次放置于管式容器中，通入保护性气体，加热至所述蓝宝石基底放置处的温度达到化学气相沉积温度、硫族单质粉末放置处达到蒸发温度，立即通入氢气，保温以进行化学气相沉积，得到所述过渡金属硫族化合物。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述硫族单质粉末包括硫粉、...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯晴亮，陈立灵，任思玥，张文斌，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：