一种二维硒化钨的生长方法技术

本发明专利技术属于材料技术领域，具体涉及一种二维硒化钨的生长方法，以硒化钨为靶材，加热；加热到目标温度时，通入保护气体，进行化学气相沉积，将硒化钨沉积在衬底上，生长完成后，迅速降温以阻止合成的硒化钨受到刻蚀，得到二维硒化钨；在加热过程中，从衬底向靶材通入保护气体；本申请的二维硒化钨可以通过控制温度，得到不同的晶体形态，且底层的硒化钨的尺寸较好；本申请的硒化钨晶体的均匀性较好，各层之间的耦合作用差异较大；两层硒化钨之间具有均匀的应变分布和层间耦合，二维硒化钨的整体质量较高。量较高。量较高。

【技术实现步骤摘要】
一种二维硒化钨的生长方法


[0001]本专利技术属于材料
，具体涉及一种二维硒化钨的生长方法。

技术介绍

[0002]过渡金属硫族化合物是一类新兴的二维层状半导体材料，这类材料的化学式通常表达为MX2（M为过渡金属元素，X为硫族元素），具备很多特异的电子学和光学特性。研究表明，过渡金属硫族化合物具有层数依赖的并且与体材料截然不同的物理特性。例如，从单层MX2过渡到体块MX2，伴随着带隙减小以及能带结构从直接带隙半导体到间接带隙半导体的转变。单层与多层，奇数层与偶数层的反演对称性的差异可以通过二次谐波光谱测试进行分辨。除了层数差异引起物性变化，原子层之间的堆叠方式对二维半导体材料的能带结构和电子性质也产生重要影响，如ABA堆叠方式的石墨烯表现出零带隙半金属性质，而ABC堆叠方式的石墨烯是具有栅极可调带隙的半导体；最新的研究表明，AA堆叠方式的双层TMDCs材料表现出界面铁电性。此外，人们还可以通过调控层间转角自由度对层间电子作用和莫尔周期势场产生重要影响，使二维材料体系展现出更多新奇的物理性质，如石墨烯和六方氮化硼莫尔超晶格中的霍夫斯塔特蝴蝶能谱以及双层和三层魔角石墨烯的超导性质。
[0003]目前，机械剥离法是获取高质量二维单晶材料的主要方法，但是通过机械剥离可控获得大面积单晶和具有特定堆叠方式的二维材料仍是一个巨大挑战。而化学气相沉积法是一种自下而上的可控制备方法，通过对温度、气流、衬底、前驱体等生长条件的控制，可以实现对制备的二维材料层数、转角和堆叠方式的有效调控。传统的CVD生长方法在制备TMDCs材料时容易随机引入成核位点，导致多晶畴的出现，同时不利于第二层晶体的外延生长。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决的技术问题是提供一种二维硒化钨的生长方法，提高硒化钨的生长质量，可控的得到二维硒化钨的晶体形态。
[0005]本专利技术实施例提供一种二维硒化钨的生长方法，步骤为，以硒化钨为靶材，加热；加热到目标温度时，通入保护气体，进行化学气相沉积，将硒化钨沉积在衬底上，生长完成后，迅速降温以阻止合成的硒化钨受到刻蚀，得到二维硒化钨；在加热过程中，从衬底向靶材通入保护气体。
[0006]本申请的一个实施例中，靶材硒化钨的纯度一般较高，为99.999%，在制备时，一般将其放在石英舟中，置于石英管中心位置。所述衬底优选为SiO2/Si衬底，其与WSe2具有较强的相互作用，并且表面平坦，热稳定性高，衬底优选置于距离靶材19
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25cm的位置，以确保合适的衬底温度，以得到不同堆叠方式的双层硒化钨。所述保护气体优选为氩气。
[0007]本申请实施例中，在制备二维硒化钨时，一般分为四个阶段，即冲洗、加热、生长、降温阶段。
[0008]在开始加热前，为冲洗阶段，为：通入保护气体以清洗气路，保护气体的流动方向
为从衬底向靶材方向。保护气体的流速为500sccm，时间可以根据需要控制，比如10min，以彻底去除气路中可能存在的杂质气体，此时气流由衬底流向靶材，以此消除升温阶段WSe2蒸气在衬底上成核的影响，提高制备的单晶质量。此方向气流为逆向气流。
[0009]冲洗完毕后，进入加热阶段，开启加热程序，保持气流方向不变（即为逆向气流），调节其大小，比如为80
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120sccm，优选为100sccm。经过一定时间，比如60min后，管式炉内均匀升温至1150℃。
[0010]加热到目标温度后，优选为1150℃后，调整保护气体方向，即将保护气体从靶材扫向衬底，进行化学气相沉积，气压为标准大气压，保护气体的气流速度为80
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120sccm，优选为100sccm，保护气体正向气流携带由WSe2粉末高温下形成的气态分子流向衬底，在衬底上开始成核并逐渐成膜，超高的生长温度和较大的气流速度使得整个生长过程持续短时间，比如3分钟即可获得较大的WSe2单晶。
[0011]最后生长完成后，还是将保护气体的流向改为逆向气流，进入降温阶段，为了达到迅速降温的目的，优选将衬底所在的装置，一般为将石英管抽出一部分，保证其暴露在外界，一般为空气中，以迅速降温。本专利技术在降温阶段，采用逆向气流和迅速降温，避免造成热刻蚀，提高单晶质量。
[0012]本专利技术的有益效果是，专利技术人发现，抑制变温阶段的成核位点和密度是可控制备高质量双层和特定堆叠方式TMDCs材料的关键。专利技术人通过使用逆向气流化学气相沉积方法，可控制备具有AA和AB两种堆叠方式（2L
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AA，2L
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AB）的双层WSe2单晶。生长过程中，采用高纯度WSe2粉末作为前驱体，以确保合成的WSe2单晶的化学计量比和晶体质量。在达到WSe2生长温度之前，在石英管中通入由衬底流向WSe2源方向的逆向气流以抑制升温阶段的随机成核，促进了第二层WSe2在第一层单晶上的均匀生长。通过调节生长阶段的衬底温度，能够选择性地合成具有AA和AB堆叠方式的双层WSe2单晶，AA堆叠WSe2倾向于在较高温度（950℃左右）合成，而AB堆叠WSe2倾向于在较低温度（840℃左右）合成。
[0013]通过光学显微镜、原子力显微镜（AFM）、拉曼光谱（Raman）、光致发光光谱（PL）和二次谐波光谱（SHG）等一系列实验表征和测试分析，探究了2L
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AA和2L
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AB WSe2的晶体结构和物理性质的差异，实现了大尺寸、均匀和高质量双层WSe2单晶的原子层物性调控，不仅为大尺寸、高质量过渡金属硫族化合物单晶的可控化学气相合成提供了稳定有效的途径，而且有助于推动二维半导体材料的原子层物性调控及其范德华异质结的构筑研究。
[0014]本专利技术提供一种简单高效而且具有通用性的可控制备AA和AB堆叠方式的双层WSe2单晶的化学气相沉积方法，成功地可控合成了大尺寸、均匀的不同堆叠方式的双层WSe2单晶，通过逆向气流的引入抑制了WSe2生长过程中的随机成核行为，并且通过严格控制生长温度分离合成了能量不同的AA和AB堆叠方式的WSe2。利用光学显微镜、原子力显微镜、拉曼光谱和光致发光光谱等一系列实验表征和测试分析研究了双层WSe2单晶的晶体结构和物理性质，利用二次谐波测试证实了AA和AB堆叠方式的WSe2双层单晶具有不同的晶体结构对称性。实验结果表明，逆向气流化学沉积法不仅是一种可控制备不同堆叠方式双层过渡金属硫族化合物WSe2的有效方法，而且为二维半导体材料的原子层物性调控及其范德华异质结的构筑研究奠定了基础。
[0015]本申请的二维硒化钨可以通过控制温度，得到不同的晶体形态，且底层的硒化钨的尺寸较好；本申请的硒化钨晶体具有较好的的均匀性和结晶度。二维硒化钨的整体质量
较高。
附图说明
[0016]图1为本专利技术实施例WSe2单晶生长的管式炉结构和气流示意图。
[0017]图2为本专利技术实施例的温度和气流控制程序图。
[0018]图3为在不同温度下的光学显微镜图。
[0019]其中，（a）为950℃下生长的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种二维硒化钨的生长方法，其特征是，以硒化钨为靶材，加热；加热到目标温度时，通入保护气体，进行化学气相沉积，将硒化钨沉积在衬底上，生长完成后，迅速降温以阻止合成的硒化钨受到刻蚀，得到二维硒化钨；在加热过程中，从衬底向靶材通入保护气体。2.如权利要求1所述的二维硒化钨的生长方法，其特征是，所述衬底为SiO2/Si衬底。3.如权利要求1所述的二维硒化钨的生长方法，其特征是，所述保护气体为氩气。4.如权利要求1所述的二维硒化钨的生长方法，其特征是，在开始加热前，通入保护气体以清洗气路，保护气体的流动方向为从衬底向靶材方向。5.如权利要求4所述的二维硒化钨的生长方法，其特征是，在开始加热前，通入保护气体以清洗气路时，保护气体的流速为500sccm。6.如权利要求1
‑
5任一项所述的二维硒化钨的生长方法，其特征是，在加热时，通入保护气体，保护气体的流速为80
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【专利技术属性】
技术研发人员：王广，吕志权，周溯媛，杨鸣，彭刚，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：