金属硫属化物薄膜的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种金属硫属化物薄膜的制备方法，用于用硫族元素源和金属元素源以气相沉积的方式在基片上生长出金属硫属化物薄膜，包括：提供能够分别独立控温的三个温度区域；其中，所述硫族元素源、金属元素源、基片分别放置在所述三个温度区域；控制三个温度区域，使得所述硫族元素源蒸发以产生硫族元素源蒸汽；所述金属元素源蒸发以产生金属元素源蒸汽以及加热所述基片至预定沉积温度；提供载气并使其顺序流过所述三个温度区域，从而将所述硫族元素源蒸汽与所述金属元素源蒸汽载送至基片上沉积并生长形成所述金属硫属化物薄膜。本发明专利技术方法简单，制备的薄膜质量较高，避免了繁琐的先期人工引入形核点步骤，有效保证样品的纯度以及表面的清洁。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及纳米材料制备领域，特别是涉及。
技术介绍
二维材料石墨烯由于其优异的物理性质和高迁移率引起了科学领域的研究热潮。然而，由于石墨烯是零带隙材料，基于石墨烯的场效应晶体管并不能有效地截止且电流的开关比率很低。虽然研究者们通过很多方法尝试打开其带隙，但迄今为止，获得的最大带隙的量级仅几百meV，这限制其在大规模集成化晶体管和逻辑电路上的广泛应用。近来，人们把目光投向了另一类二维材料一过渡金属硫属化物(TDMCs)。这一类材料的分子结构通式可以表示成MX2 (其中M为过渡金属，如Mo，W，V等，X为S，Se，Te等)，这类材料具有l_2eV的自然带隙，物理性能优异，在场效应晶体管方面有着很大的应用前景。其中，二硫化钥(MoS2)是一种原子级平整的二维η型半导体材料，层层之间靠微弱的范德瓦尔斯作用力结合，层间分子靠很强的共价键结合。二硫化钥是间接带隙材料，带隙宽度1.2eV，但研究发现，当二硫化钥的层数从多层减少为单层(0.65nm)时，其由间接带隙转变为带隙宽度为1.8eV的直接带隙。单层二硫化钥的直接带隙使其产生光致发光现象，这使其在光电子器件方面也有着潜在的应用。对于大规模集成化晶体管，人们希望晶体管的尺寸越小越好，然而传统硅基MOS场效应管在特征尺寸小于22nm时遇到了瓶颈。值得注意的是，当二硫化钥薄膜的厚度减少至单层时，仍然可以具有优异的电学特性。据Radisavljevic B.等报道,米用机械剥离法制备的单层二硫化钥场效应晶体管的迁移率高达ZOOcn^fir1，开关电流比达108。因此，基于二硫化钥场效应晶体管有着将晶体管推向更小极限尺寸的潜力。目前，二硫化钥薄膜的制备方法与石墨烯类似，主要分为:“自上而下”和“自下而上”两种。“自下而上”的制备方法主要包括:机械剥离法，液相剥离法，锂离子插层法，激光减薄法，溶液超声法等。这些方法能够获得单分子层的二硫化钥薄膜，薄膜厚度可以薄至0.7nm，但存在如下缺点:获得的二硫化钥薄膜尺寸小，且尺寸、位置以及厚度都不可控，样品制备过程的随机性很大程度上限制其大规模集成化生产。“自下而上”的制备方法主要是利用不同的反应源以及反应条件，通过气相沉积获得较大面积的二硫化钥薄膜。如Lee Y.H.等先在衬底上旋涂类似于苯环分子的溶液(如reduced-graphene oxide, PTCDA)作为形核的催化剂,再用硫粉和三氧化钥粉末在单温区管式炉中高温共蒸从 而在基片上沉积二硫化钥薄膜。Zhan Y.等使用电子束蒸发在基片上先沉积5nm金属钼，再与固态硫共蒸得到二硫化钼薄膜。Liu K.K.等先在蓝宝石基片上旋涂(NH4)2MoS4溶液，然后在硫蒸气中裂解得到二硫化钥薄膜，再从蓝宝石上转移到二氧化硅衬底上进行电学表征。“自下而上”的方法制备的薄膜样品尺寸大，可覆盖整个基片，有望实现大规模晶体管器件的集成。上述几种方法至少存在以下缺陷:均需要两步工作，工艺较为复杂，且二硫化钥薄膜的厚度难以精确控制。目前，大面积可控制备二硫化钥薄膜仍具有很大的挑战。
技术实现思路
化学气相沉积是有望实现大面积可控生长二硫化钥薄膜的方法之一。为了实现大面积可控生长二硫化钥薄膜，申请人进行了大量的研究工作。在研究的过程中，申请人发现，蒸发源的蒸发温度、基片的沉积温度对于沉积产物的生长速率以及生长形貌有十分关键的影响。对于单温区的管式炉，中心温区两侧的温度梯度很大，很难精确地调控硫粉的蒸发温度和基片的沉积温度。任何参数的微小变动都会很大地影响实验结果。以Lee Y.H.等的工作为例，三氧化钥粉末源放在单温区管式炉的中心温区，将旋涂类似苯环分子的溶液的基片悬于三氧化钥源的上方，硫粉放在上游温度较低处，中心温区在650°C时保温15分钟，在基片上得到具有单层，三层以及多层结构的二硫化钥薄膜。对于该实验，如果不采用完全相同规格的管式炉(如温区长度、管式炉内径等)，按其提供的实验参数，很难得到与其相同的实验结果，可重复性很差。申请人经过研究发现，在上述实验过程中，由于温度梯度很大，要求每次实验的参数必须十分精确，否则例如即使反应源的位置发生很小的变化，沉积在基片上的产物形貌差别都会发生很大差别，这对于薄膜的可控生长是十分不利的。申请人惊奇的发现，若采用单独 控制加热的方式分别对硫源和钥源以及基片加热，可以制备出大面积且膜厚度均匀可控的二硫化钥薄膜结构，且该方法适用于其他层状金属硫属化物薄膜的制备。因此，本专利技术的目的是提供一种，用来制备的结晶质量好的薄膜结构。为了实现上述目的，本专利技术提供了一种金属硫属化物薄膜的可控生长方法，用于用硫族元素源和金属元素源以气相沉积的方式在基片上生长出金属硫属化物薄膜，包括:提供能够分别独立控温的第一温度区域、第二温度区域和第三温度区域；其中，所述硫族元素源放置在所述第一温度区域，所述金属元素源放置在所述第二温度区域，所述基片放置在所述第三温度区域；控制所述第一温度区域达到第一预定温度以加热所述硫族元素源，使得所述硫族元素源蒸发以产生硫族元素源蒸汽；控制所述第二温度区域达到第二预定温度以加热所述金属元素源，使得所述金属元素源蒸发以产生金属元素源蒸汽；控制所述第三温度区域达到第三预定温度以加热所述基片；提供载气并使其顺序流过所述第一温度区域、所述第二温度区域和所述第三温度区域，从而将所述硫族元素源蒸汽与所述金属元素源蒸汽载送至第三温度区域，并在所述基片上沉积并生长形成所述金属硫属化物薄膜。在一种实施方式中，所述第一加热温区、第二加热温区以及第三加热温区沿水平方向顺次布置。在一种实施方式中，所述第一加热温区、第二加热温区以及第三加热温区可以由管式炉提供，所述第一加热温区、第二加热温区以及第三加热温区的相邻温区之间设置有隔热区。在一种实施方式中，所述第一加热温区、第二加热温区、第三加热温区以及隔热区的长度分别可以为10_20cm, 5_15cm、15_25cm以及3_8cm。在一种实施方式中，所述硫族元素源可以选自S、Se、Te其中之一的元素单质，或包含S、Se、Te其中之一元素的化合物；所述金属元素源可以选自包含Mo、W、V、Nb、Ta、T1、Zr、Sn、Ge其中之一元素的化合物。在一种实施方式中，所述硫族元素源可以为硫粉，所述金属元素源可以为三氧化钥。在一种实施方式中，所述第一加热温区、第二加热温区以及第三加热温区的温度可以分别设置为 120-150 V、500-600 V、700-800 V。在一种实施方式中，所述硫粉与三氧化钥的摩尔比可以为20-100:1。在一种实施方式中，所述硫粉可以为300_600mg，三氧化钥可以为30_60mg。在一种实施方式中，所述管式炉内的气压可以为l_1.5torr。本专利技术实施例至少存在以下技术效果:I)本专利技术通过分别独立调节硫族元素源、金属元素源的蒸发温度和基片的沉积温度来控制生长速率，从而控制金属硫属化物薄膜的厚度和尺寸。2)本专利技术可生长出尺寸在300nm左右的准单层二硫化钥薄片，通过延长反应时间，可得到大面积、高质量的准单层薄膜。 3)由于本专利技术制备的二硫化钥薄膜的结晶质量好，使得采用本专利技术的二硫化钥薄膜制备的场效应晶体管性能优异，开关比高达106，迁移率高达SOcm2W1iT1,优于目前采用沉积方式制备的二硫本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金属硫属化物薄膜的制备方法，用于用硫族元素源和金属元素源以气相沉积的方式在基片上生长出金属硫属化物薄膜，包括：提供能够分别独立控温的第一温度区域、第二温度区域和第三温度区域；其中，所述硫族元素源放置在所述第一温度区域，所述金属元素源放置在所述第二温度区域，所述基片放置在所述第三温度区域；控制所述第一温度区域达到第一预定温度以加热所述硫族元素源，使得所述硫族元素源蒸发以产生硫族元素源蒸汽；控制所述第二温度区域达到第二预定温度以加热所述金属元素源，使得所述金属元素源蒸发以产生金属元素源蒸汽；控制所述第三温度区域达到第三预定温度以加热所述基片；提供载气并使其顺序流过所述第一温度区域、所述第二温度区域和所述第三温度区域，从而将所述硫族元素源蒸汽与所述金属元素源蒸汽载送至第三温度区域，并在所述基片上沉积并生长形成所述金属硫属化物薄膜。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张广宇，时东霞，张菁，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：