一种制备大尺寸单层二硫化铼薄膜的方法技术

本发明专利技术公开了一种制备大尺寸单层二硫化铼薄膜的方法，包括将盛有硫粉和三氧化铼粉的两个石英舟以及盛有衬底的石英板分别放置于同一根石英管中；将石英管放置于管式炉中，使得盛有硫粉的石英舟对应于管式炉中的恒温区

【技术实现步骤摘要】
一种制备大尺寸单层二硫化铼薄膜的方法


[0001]本专利技术涉及二维纳米材料制备领域，尤其涉及一种制备大尺寸单层二硫化铼薄膜的方法
。

技术介绍

[0002]近年，二维材料凭借其优异的光学
、
电学
、
热学和力学性质迅速成为材料领域的研究热点，在电子
、
光电子
、
储能器件和催化等领域均具有广泛的应用前景
。
其中，二硫化铼
(ReS2)
具有各向异性的电学和光学属性
、
弱的层间耦合作用引起了大家的广泛关注
。ReS2具有扭曲的
1T
相，面内对称性较低，导致了材料拥有各项异性的光
、
电和机械属性，被认为在偏振传感
、
晶体管等领域具有大的应用潜力
。
与其它过渡金属硫族化合物不同，
ReS2具有弱的层间耦合作用，导致材料层数对其物理属性影响较弱，无论层数材料均为直接带隙，无直接带隙和间接带隙转变，更适用于制作光和光电器件
。
此外，
ReS2中弱的层间耦合也可应用在氮还原反应和析氢反应中
。
[0003]目前，二维
ReS2主要采用微机械剥离法
、
液相化学剥离法和化学气相沉积法制备
。
微机械剥离法和液相化学剥离法虽能够获得二维
ReS2，但获得的二维材料具有尺寸小和厚度可控性差的缺点，不利于未来材料在器件中的规模化应用<br/>。
化学气相沉积
(CVD)
被认为是一种最适宜制备大面积高质量二维材料的可靠技术，但由于
ReS2材料强的层间去耦合特性，材料面内生长受限，面外生长显著，不利于获得大尺寸单层的
ReS2。
郭宗亮等人专利
《
一种大面积二维的二硫化铼薄膜及其制备方法和应用
》
展示了利用
CVD
技术可以生长厘米级双层
ReS2薄膜
。Muhammad Hafeez
等人在
《Large
‑
Area Bilayer ReS
2 Film/Multilayer ReS
2 Flakes Synthesized by Chemical Vapor Deposition for High Performance Photodetectors》
文章中也报道利用
CVD
技术获得大面积双层
ReS2薄膜
。Fangfang Cui
等人在
《Tellurium
‑
Assisted Epitaxial Growth of Large
‑
Area,Highly Crystalline ReS
2 Atomic Layers on Mica Substrate》
文章中报道通过
CVD
方法获得微米级的单层
ReS2薄膜
。
到目前为止，可控制备厘米级大尺寸单层二维
ReS2薄膜仍是材料生长领域的一大难题，攻克该难题将为二维
ReS2薄膜在各领域的应用提供材料保障
。

技术实现思路

[0004]针对上述技术问题，本专利技术的目的在于提供一种制备大尺寸单层二硫化铼薄膜的方法，采用低压化学气相沉积法，以氟晶云母作为生长衬底，在惰性气体氛围下生长得到完全覆盖衬底的厘米级大尺寸单层二硫化铼薄膜，制得的大尺寸单层二硫化铼薄膜具有膜连续性好，可重复性高，且厚度均匀等优点
。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种制备大尺寸单层二硫化铼薄膜的方法，包括如下步骤：
[0006]S1
：将硫粉和三氧化铼粉分别置于两个石英舟中，将衬底置于石英板上，将分子筛粉覆盖在所述三氧化铼粉表面，将盛有硫粉和三氧化铼粉的两个石英舟以及盛有衬底的石
英板分别放置于同一根石英管中，盛有三氧化铼粉的石英舟位于盛有硫粉的石英舟和盛有衬底的石英板之间；
[0007]S2
：将步骤
S1
所得的石英管放置于管式炉中，使得盛有硫粉的石英舟对应于管式炉中的恒温区
I
，盛有三氧化铼粉的石英舟和盛有衬底的石英板对应于管式炉的恒温区Ⅱ；然后将管式炉抽真空，通入惰性气体作为载气，使得管式炉中的恒温区
I
和恒温区Ⅱ分别处于适当温度，并保持一段时间，通入载气后保持管式炉内的压力仍在低压状态，管内气压在
0.1
‑
1torr
之间，所述石英管起导向作用，硫粉升华后通过单向扩散与气相三氧化铼发生反应，在衬底上生成大尺寸单层二硫化铼薄膜；最后管式炉自然冷却至室温，完成制备过程
。
[0008]抽真空，使得管内气压降低，分子的自由程与气体的扩散系数增大，使气态反应物的质量传输速率加快；提高二硫化铼的面内生长速率
。
[0009]进一步地，所述衬底为氟晶云母晶片
。
[0010]进一步地，在步骤
S2
中，所述惰性气体为氩气或氮气
。
[0011]进一步地，在步骤
S2
中，所述的载气流量范围为
50
～
300sccm。
[0012]载气流量，二硫化铼的生长需要在合适的气体流速下才会生长，气体流速太低，三氧化铼的相对浓度比较高，在垂直方向上容易形成较厚的二硫化铼
。
当气体流量太大时，三氧化铼的相对浓度会显著降低，在基底上的二维产物形核密度会显著下降
。
[0013]进一步地，在步骤
S2
中，所述恒温区
I
加热到
120
～
220℃
，恒温区Ⅱ加热到
600
～
900℃
，保持在目标温度5～
15min。
[0014]恒温区
I
，即为原料汽化区；通过实验参数的摸索，在
120
～
220℃
范围内，硫粉的挥发量是适中的，在低于
120℃
时，由于温度达不到硫粉的熔点，使得硫粉不易挥发形成硫蒸汽，不能为二硫化铼提供生长所需要的富硫环境；在高于
220℃
时，由于温度高于硫粉的熔点，使得硫粉的蒸发速度加快，短时间内产生大量的硫蒸汽会抑制三氧化铼的挥发，且未完全与铼源反应充分时，硫源即会消耗殆尽；
[0015]恒温区Ⅱ，即为二硫化铼生长区；在
600
～
900℃
，为二硫化铼最佳生长的温度范围，在低于
600℃
时，由于晶粒会在云母衬底上大量吸附形核，使得二硫化铼在云母衬底形成大量的成核位点，成核位点密度的提高会导致生长的薄膜厚本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种制备大尺寸单层二硫化铼薄膜的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1
：将硫粉和三氧化铼粉分别置于两个石英舟中，将衬底置于石英板上，将分子筛粉覆盖在所述三氧化铼粉表面，将盛有硫粉和三氧化铼粉的两个石英舟以及盛有衬底的石英板分别放置于同一根石英管中，盛有三氧化铼粉的石英舟位于盛有硫粉的石英舟和盛有衬底的石英板之间；
S2
：将步骤
S1
所得的石英管放置于管式炉中，使得盛有硫粉的石英舟对应于管式炉中的恒温区
I
，盛有三氧化铼粉的石英舟和盛有衬底的石英板对应于管式炉的恒温区Ⅱ；然后将管式炉抽真空，通入惰性气体作为载气，使得管式炉中的恒温区
I
和恒温区Ⅱ分别处于适当温度，并保持一段时间，通入载气后保持管式炉内的压力仍在低压状态，管内气压在
0.1
‑
1torr
之间，所述石英管起导向作用，硫粉升华后通过单向扩散与气相三氧化铼发生反应，在衬底上生成大尺寸单层二硫化铼薄膜；最后管式炉自然冷却至室温，完成制备过程
。2.
根据权利要求1所述的一种制备大尺寸单层二硫化铼薄膜的方法，其特征在于，所述衬底为氟晶云母晶片
。3.
根据权利要求1所述的一种制备大尺寸单层二硫化铼薄膜的方法，其特征在于，在步骤
S2
中，所述惰性气体为氩气或氮气
。4.
根据权利要求1所述的一种制备大尺寸单层二硫化铼薄膜的方法，其特征在于，在步骤
S2
中，所述的载气流量范围为
50

【专利技术属性】
技术研发人员：孙兴东，梁瑶，魏争，温阳，刘向，武素梅，张志华，
申请(专利权)人：大连交通大学，
类型：发明
国别省市：