【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及新材料领域，具体为一种液相层表面制备均匀多层钼基过渡金属硫族化物薄膜的方法，将物理气相沉积与化学气相沉积法结合制备薄膜，利用物理气相沉积法制备合金-纯金属复合基底，并利用该基底生长具有高质量的均匀多层钼基过渡金属硫族化物薄膜，有望拓展至大面积薄膜制备领域。
技术介绍
1、二维过渡金属硫族化物作为一种在光电和电催化等领域均有着独特性能的新型二维材料，其结构稳定，具有优异的电子、光学、机械、化学和热性能。该类材料有着与石墨烯类似的二维层状结构：其层间通过弱的范德瓦尔兹力相结合。但是其在结构和性能上其与石墨烯又有着明显的不同：以二硫化钼为例，单层的二硫化钼由中心的钼原子及位于钼原子两侧的硫原子构成，随着二硫化钼的层数不同，该材料将会发生直接带隙到间接带隙的转换，并且带隙随层数变化的可调范围为1.2ev～1.8ev，是目前最有应用前景的二维材料之一，高质量的多层二硫化钼薄膜的制备是其在各领域发挥其突出性能的基础。
2、尽管现今已可从块体材料中机械剥离得到钼基过渡金属硫族化物，但该方法效率低、不可控，无法获得均匀厚度的大面积薄膜。而化学气相沉积是目前高效率制备钼基过渡金属硫族化物的最有效方法之一，该方法具有效率高、生长质量佳且可控性高的优势。然而，化学气相沉积方法目前仍难以实现钼基过渡金属硫族化物薄膜的层数控制，这是由于而钼基过渡金属硫族化物薄膜的化学气相沉积过程往往需要固态前驱体的挥扩散作为生长源，而该挥发过程往往存在着不均匀、速率低等问题，最终导致钼基过渡金属硫族化物薄膜在基底的生长速率存在梯度(即近源端生长
3、物理气相沉积中的磁控溅射、热蒸镀以及电子束蒸发等方法作为传统的薄膜制备工艺，具有成本低、可控性好和可放大等优势，是目前工业中制备薄膜常用的方法，该方法具有工艺兼容、高效、可控性高的特征，可与化学气相沉积方法结合以提升生长过程的可控性，并最终提升钼基过渡金属硫族化物薄膜的质量。但该工艺的关键在于如何将前述两种方法更有效地结合，利用二者的协同效应大幅度提升薄膜制备的质量。
技术实现思路
1、为了解决上述技术问题，本专利技术的目的在于提供一种液相层表面制备均匀多层钼基过渡金属硫族化物薄膜的方法，利用物理气相沉积技术预处理基底的方式，构建合金与纯相金属组成的液-固结构复合基底，其中固态结构金基底具有一定的溶钼量，而液态结构具有低熔点的特点，保证其在生长温度下为液态，作为钼原子的扩散通道，从而发展一种生长均匀多层钼基过渡金属硫族化物薄膜的制备方法，通过调整液态层厚度、气氛及生长温度等参数调控钼基过渡金属硫族化物薄膜的厚度。该方法具有高效、可控性高、薄膜样品质量高等优势，可作为一种制备均匀多层钼基过渡金属硫族化物连续薄膜的方法。
2、本专利技术的技术方案：
3、一种液相层表面制备均匀多层钼基过渡金属硫族化物薄膜的方法，经过清洗过程和800～1200℃下退火5～15小时后的金基底表面物理气相沉积一层厚度为25～500nm的可与金构成低熔点合金的非金属薄膜，经过再次退火后构建高温下由液态合金与金构成的液-固结构复合基底，其中：金构建的固相结构具有高熔点、不与硫反应且具有一定溶钼量的特点，起到存储和供给钼源的作用；液态合金构建的液态层具有较低的熔点，在较高的生长温度下为液态，覆盖于具有高熔点和一定溶钼量的金基底固相结构的表面，作为钼的扩散层，利用化学气相沉积方法，在生长温度下形成液态合金包覆固态金基体的结构，通过调整液态层的厚度以及生长温度、气氛参数，利用钼原子在液态层中的可控扩散，制备均匀多层的钼基过渡金属硫族化物薄膜。
4、所述的液相层表面制备均匀多层钼基过渡金属硫族化物薄膜的方法，为组成生长温度下稳定的液-固结构，通过物理气相沉积制备可与金构成低熔点合金的非金属薄膜覆盖于高熔点且具有一定溶钼量的金基底的上表面。
5、所述的液相层表面制备均匀多层钼基过渡金属硫族化物薄膜的方法，构成液-固结构复合基底的合金与金基底中，金具有催化活性，且对钼具有一定的溶解度，其纯度大于99.9wt％，厚度大于50微米。
6、所述的液相层表面制备均匀多层钼基过渡金属硫族化物薄膜的方法，构成液-固结构复合基底的合金与金基底中，合金由金与一种或两种非金属元素在高温下化合形成，该类非金属元素包括但不限于硅、锗、镓、锑中的一种或两种以上，所形成合金要求具有较低的熔点，在生长温度下为液态。
7、所述的液相层表面制备均匀多层钼基过渡金属硫族化物薄膜的方法，非金属薄膜为非金属元素通过磁控溅射或热蒸镀的物理气相沉积方式沉积于洁净的金基底表面，为构建生长温度下的液态合金表层，将沉积非金属元素的基底在900～1100℃、氢气或是含氢气的混合气体中退火处理，其中：氢气的体积比不小于5％，气体流量为500～1000s.c.c.m，退火处理时间0.5～10h。
8、所述的液相层表面制备均匀多层钼基过渡金属硫族化物薄膜的方法，液相层表面制备多层钼基过渡金属硫族化物薄膜的过程如下：
9、第一阶段：以合金-金组成的液-固结构复合基底作为生长基底，选用气态、液态或固态硫源，在生长温度下，构建液态合金层覆盖固态纯金层的液-固叠层结构；在载气的辅助下，在液态合金的表面首先生长单层钼基过渡金属硫族化物薄膜，同时部分钼原子穿过液态合金层，预存储至具有一定溶钼量的金基体中；
10、第二阶段：微调生长气氛，缓慢降低反应温度，使预存储于固态金基体中的钼原子释放析出，经过液态合金层可控扩散至液态表面与单层钼基过渡金属硫族化物之间，并与扩散至此间隙的硫族单质发生反应，最终形成具有均匀层数的多层钼基过渡金属硫族化物薄膜。
11、所述的液相层表面制备均匀多层钼基过渡金属硫族化物薄膜的方法，在第一阶段中，硫源选用气态或固态的硫族化合物或硫族单质：硫化氢、硫粉、亚硫酸钠、硫化锌或二叔丁基二硫、硒粒、碲粒之一或两种以上，或者硫源为液态的含硫溶液：二硫化碳的硫溶液；载气气氛为氮气、氩气、氢气中的一种或两种以上的混合气，载气流量50～500s.c.c.m。
12、所述的液相层表面制备均匀多层钼基过渡金属硫族化物薄膜的方法，第二阶段中，多层钼基过渡金属硫族化物薄膜生长的钼源来自于第一阶段中预存储在固态纯金层中的钼原子，所得均匀多层钼基过渡金属硫族化物薄膜的层数通过所选非金属种类、液态合金的厚度、第一层钼基过渡金属硫族化物薄膜的生长温度、硫源供给方式、降温过程中的降温速率等参数进行调控。
13、所述的液相层表面制备均匀多层钼基过渡金属硫族化物薄膜的方法，均匀多层钼基过渡金属硫族化物薄膜制备结束后，利用旋涂或刮涂等方式将高分子聚合物覆盖于其表面进行保护，采用电化学鼓泡方法，将均匀多层钼基过渡金属硫族化物薄膜转移至目标基本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种液相层表面制备均匀多层钼基过渡金属硫族化物薄膜的方法，其特征在于，经过清洗过程和800～1200℃下退火5～15小时后的金基底表面物理气相沉积一层厚度为25～500nm的可与金构成低熔点合金的非金属薄膜，经过再次退火后构建高温下由液态合金与金构成的液-固结构复合基底，其中：金构建的固相结构具有高熔点、不与硫反应且具有一定溶钼量的特点，起到存储和供给钼源的作用；液态合金构建的液态层具有较低的熔点，在较高的生长温度下为液态，覆盖于具有高熔点和一定溶钼量的金基底固相结构的表面，作为钼的扩散层，利用化学气相沉积方法，在生长温度下形成液态合金包覆固态金基体的结构，通过调整液态层的厚度以及生长温度、气氛参数，利用钼原子在液态层中的可控扩散，制备均匀多层的钼基过渡金属硫族化物薄膜。
2.按照权利要求1所述的液相层表面制备均匀多层钼基过渡金属硫族化物薄膜的方法，其特征在于，为组成生长温度下稳定的液-固结构，通过物理气相沉积制备可与金构成低熔点合金的非金属薄膜覆盖于高熔点且具有一定溶钼量的金基底的上表面。
3.按照权利要求1所述的液相层表面制备均匀多层钼基过渡金属硫
4.按照权利要求1所述的液相层表面制备均匀多层钼基过渡金属硫族化物薄膜的方法，其特征在于，构成液-固结构复合基底的合金与金基底中，合金由金与一种或两种非金属元素在高温下化合形成，该类非金属元素包括但不限于硅、锗、镓、锑中的一种或两种以上，所形成合金要求具有较低的熔点，在生长温度下为液态。
5.按照权利要求1所述的液相层表面制备均匀多层钼基过渡金属硫族化物薄膜的方法，其特征在于，非金属薄膜为非金属元素通过磁控溅射或热蒸镀的物理气相沉积方式沉积于洁净的金基底表面，为构建生长温度下的液态合金表层，将沉积非金属元素的基底在900～1100℃、氢气或是含氢气的混合气体中退火处理，其中：氢气的体积比不小于5％，气体流量为500～1000s.c.c.m，退火处理时间0.5～10h。
6.按照权利要求1至5之一所述的液相层表面制备均匀多层钼基过渡金属硫族化物薄膜的方法，其特征在于，液相层表面制备多层钼基过渡金属硫族化物薄膜的过程如下：
7.按照权利要求6所述的液相层表面制备均匀多层钼基过渡金属硫族化物薄膜的方法，其特征在于，在第一阶段中，硫源选用气态或固态的硫族化合物或硫族单质：硫化氢、硫粉、亚硫酸钠、硫化锌或二叔丁基二硫、硒粒、碲粒之一或两种以上，或者硫源为液态的含硫溶液：二硫化碳的硫溶液；载气气氛为氮气、氩气、氢气中的一种或两种以上的混合气，载气流量50～500s.c.c.m。
8.按照权利要求6所述的液相层表面制备均匀多层钼基过渡金属硫族化物薄膜的方法，其特征在于，第二阶段中，多层钼基过渡金属硫族化物薄膜生长的钼源来自于第一阶段中预存储在固态纯金层中的钼原子，所得均匀多层钼基过渡金属硫族化物薄膜的层数通过所选非金属种类、液态合金的厚度、第一层钼基过渡金属硫族化物薄膜的生长温度、硫源供给方式、降温过程中的降温速率等参数进行调控。
9.按照权利要求6所述的液相层表面制备均匀多层钼基过渡金属硫族化物薄膜的方法，其特征在于，均匀多层钼基过渡金属硫族化物薄膜制备结束后，利用旋涂或刮涂等方式将高分子聚合物覆盖于其表面进行保护，采用电化学鼓泡方法，将均匀多层钼基过渡金属硫族化物薄膜转移至目标基底上，而后使用不同类型有机溶剂除去高分子聚合物保护层，得到洁净、具有良好器件加工性的均匀多层钼基过渡金属硫族化物薄膜；使用过的合金-金结构复合基底经过超声、退火、化学处理的方式恢复其纯净度，循环重复使用。
10.按照权利要求9所述的液相层表面制备均匀多层钼基过渡金属硫族化物薄膜的方法，其特征在于，所选用的高分子聚合物保护层由聚乙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯和聚丙烯之一或两种以上构成，清洗保护层所用有机溶剂为酮类、卤代烃、氯代烃以及芳烃类之一或两种以上构成。
...【技术特征摘要】
1.一种液相层表面制备均匀多层钼基过渡金属硫族化物薄膜的方法，其特征在于，经过清洗过程和800～1200℃下退火5～15小时后的金基底表面物理气相沉积一层厚度为25～500nm的可与金构成低熔点合金的非金属薄膜，经过再次退火后构建高温下由液态合金与金构成的液-固结构复合基底，其中：金构建的固相结构具有高熔点、不与硫反应且具有一定溶钼量的特点，起到存储和供给钼源的作用；液态合金构建的液态层具有较低的熔点，在较高的生长温度下为液态，覆盖于具有高熔点和一定溶钼量的金基底固相结构的表面，作为钼的扩散层，利用化学气相沉积方法，在生长温度下形成液态合金包覆固态金基体的结构，通过调整液态层的厚度以及生长温度、气氛参数，利用钼原子在液态层中的可控扩散，制备均匀多层的钼基过渡金属硫族化物薄膜。
2.按照权利要求1所述的液相层表面制备均匀多层钼基过渡金属硫族化物薄膜的方法，其特征在于，为组成生长温度下稳定的液-固结构，通过物理气相沉积制备可与金构成低熔点合金的非金属薄膜覆盖于高熔点且具有一定溶钼量的金基底的上表面。
3.按照权利要求1所述的液相层表面制备均匀多层钼基过渡金属硫族化物薄膜的方法，其特征在于，构成液-固结构复合基底的合金与金基底中，金具有催化活性，且对钼具有一定的溶解度，其纯度大于99.9wt％，厚度大于50微米。
4.按照权利要求1所述的液相层表面制备均匀多层钼基过渡金属硫族化物薄膜的方法，其特征在于，构成液-固结构复合基底的合金与金基底中，合金由金与一种或两种非金属元素在高温下化合形成，该类非金属元素包括但不限于硅、锗、镓、锑中的一种或两种以上，所形成合金要求具有较低的熔点，在生长温度下为液态。
5.按照权利要求1所述的液相层表面制备均匀多层钼基过渡金属硫族化物薄膜的方法，其特征在于，非金属薄膜为非金属元素通过磁控溅射或热蒸镀的物理气相沉积方式沉积于洁净的金基底表面，为构建生长温度下的液态合金表层，将沉积非金属元素的基底在900～1100℃、氢气或是含氢气的混合气体中退火处理...
【专利技术属性】
技术研发人员：任文才，程荣，徐川，马伟，成会明，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：
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