本發(fā)明涉及一種二維硫化鎢薄膜材料的制備方法，屬于半導(dǎo)體薄膜材料制備領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

目前，二維過(guò)渡金屬硫族化合物的制備，主要集中在以下幾個(gè)方面：

(1)片層/尺寸可控制備，改善邊緣結(jié)構(gòu)。(2)提高產(chǎn)率。(3)提高結(jié)晶性(質(zhì)量)。

目前，針對(duì)過(guò)渡金屬硫族化合物的制備，采用化學(xué)氣相沉積法進(jìn)行合成，以二硫化鉬為例，主要包括以下幾種路線：(1)以1～5nm的mo片層與s單質(zhì)在500～1100℃下進(jìn)行硫化反應(yīng)。(2)通過(guò)s與moo3在管式爐中熱蒸發(fā)反應(yīng)，獲得多層的mos2。(3)以mo(co)6和h2s作為原料，采用cvd方法生長(zhǎng)mos2。其中原料mo(co)6和h2s沒(méi)有在管式爐中，而是在管式爐外面，通過(guò)蒸發(fā)器實(shí)現(xiàn)加入。(4)先將1nm的mo金屬原子層沉積在襯底上，然后通入h2s。通過(guò)氬氣的等離子體使硫化氫氣體離解。之后鉬原子被離解的硫化氫氣體硫化，形成硫化鉬薄膜。

但是針對(duì)二硫化鎢薄膜的制備，由于制備溫度比二硫化鉬更高，制備窗口更窄，相關(guān)研究遠(yuǎn)少于二硫化鉬。針對(duì)二硫化鎢的制備，主要集中在以下幾個(gè)方面：(1)采用wo2.9與硫單質(zhì)，以sio2/si為基底，在825℃下制備ws2。(2)以wcl6與硫單質(zhì)，在900℃下制備ws2。(3)以wo3與硫粉在860～1070℃條件下制備ws2。目前未發(fā)現(xiàn)采用pecvd法制備二硫化鎢的研究。采用以上方法，制備溫度較高，仍存在一定的缺陷。因此，創(chuàng)新型地提出了以下制備方法：

pecvd法即等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法，其中產(chǎn)生的等離子體溫度不高，但其內(nèi)部卻處于受激發(fā)的狀態(tài)，其電子能量足以使分子鍵斷裂，并導(dǎo)致具有化學(xué)活性的物質(zhì)(活化分子、原子、離子、原子團(tuán)等)產(chǎn)生，使本來(lái)需要在高溫下才能進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)，當(dāng)處于等離子體場(chǎng)中時(shí)，由于反應(yīng)氣體的電激活作用而大大降低了反應(yīng)溫度，從而在較低的溫度下甚至在常溫下就能在基片上形成固態(tài)薄膜。該方法具有以下優(yōu)勢(shì)：(1)在較低的溫度下甚至在常溫下就能在基片上形成固態(tài)薄膜。(2)操作方法靈活，工藝重復(fù)性好。(3)可以在不同復(fù)雜形狀的基板上沉積各種薄膜。(4)可以通過(guò)改變沉積參數(shù)的方法制備不同應(yīng)力狀態(tài)的薄膜以滿足不同的需要。

本發(fā)明采用易揮發(fā)，低熔點(diǎn)的mo(co)6，蒸發(fā)后作為鉬源，硫單質(zhì)蒸發(fā)后作為硫源，在等離子體氣氛內(nèi)，低溫制備二維材料。該方法降低了二維硫化鎢的制備溫度，簡(jiǎn)化了pecvd的制備步驟，可以實(shí)現(xiàn)在軟基底制備，無(wú)需轉(zhuǎn)移，避免了結(jié)構(gòu)缺陷的產(chǎn)生。同時(shí)采取低壓的手段，減少了雜質(zhì)的含量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種二維硫化鎢薄膜材料的制備方法，首先將硫粉置于前一溫區(qū)，將六羰基鎢置于后一溫區(qū)，排除空氣。將sio2/si襯底清洗干凈，置于六羰基鎢上方。然后，將雙溫區(qū)升溫，通過(guò)氬等離子體促進(jìn)硫蒸汽與六羰基鉬蒸汽進(jìn)行反應(yīng)，并沉積到襯底表面，就得到二維硫化鎢薄膜材料。

本發(fā)明是通過(guò)下述技術(shù)方案加以實(shí)現(xiàn)的：

一種二維硫化鎢薄膜材料的制備方法，其特征在于包括以下過(guò)程：

(1)采用雙溫場(chǎng)滑軌等離子體pecvd系統(tǒng)，將管式爐充滿氬氣；將sio2/si基板置于放有六羰基鎢粉末的容器上方，將放有硫粉的容器置于管式爐的第一個(gè)加熱爐中心；再將放有六羰基鎢的容器放于管式爐的第二個(gè)加熱爐中心；通入氬氣；

(2)在氬氣氣氛下，將管式爐內(nèi)壓強(qiáng)調(diào)至133.29pa，設(shè)置等離子體發(fā)生裝置中等離子體發(fā)生器的功率，將第一加熱區(qū)升溫至硫粉的揮發(fā)溫度，第二加熱區(qū)升溫至六羰基鎢的揮發(fā)溫度；兩溫區(qū)都升溫完畢后，改通氬氣與氫氣的混合氣；使二硫化鎢沉積在基底，然后降至室溫，就得到二維ws2薄膜材料。

優(yōu)選硫粉的揮發(fā)溫度160℃

優(yōu)選六羰基鎢的揮發(fā)溫度200℃

優(yōu)選sio2/si基板長(zhǎng)不大于1cm，寬不大于1cm，厚0.5mm。

優(yōu)選放有三羰基鎢粉末的容器為船型瓷舟。

優(yōu)選船型瓷舟長(zhǎng)6cm，寬3cm，深1cm。

優(yōu)選三羰基鎢與硫粉的質(zhì)量比為1～3:100。

優(yōu)選等離子體發(fā)生裝置的功率為100w-400w。

采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法進(jìn)行二維硫化鎢薄膜材料的制備，大大降低了反應(yīng)溫度。制備得到的二維硫硫化鎢薄膜材料在二次電池、場(chǎng)效應(yīng)晶體管、傳感器、有機(jī)電致發(fā)光、電存儲(chǔ)等光電子器件領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用。

附圖說(shuō)明

圖1為實(shí)施例1中得到的二硫化鎢樣品的光學(xué)照片。

圖2為實(shí)施例2制備得到的二硫化鎢樣品的tem圖像。

圖3為實(shí)施例3中得到的二硫化鎢樣品的tem圖像。

具體實(shí)施方式

下面給出本發(fā)明的具體實(shí)施例，是對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步說(shuō)明，而不是限制本發(fā)明的范圍。

本發(fā)明的一種二維硫化鎢薄膜材料的制備方法包括以下過(guò)程：

(1)采用雙溫場(chǎng)滑軌等離子pecvd系統(tǒng)，將石英管內(nèi)通入一定量的氬氣排除空氣；后將一定尺寸處理好的sio2/si基板置于放有一定質(zhì)量六羰基鎢粉末的船型容器的正上方，將放有一定質(zhì)量硫粉的容器置于管式爐的前一溫區(qū)中，再將放有六羰基鎢的瓷舟放于管式爐的后一溫區(qū)(其中硫粉用量是500mg，六羰基鎢與硫粉的質(zhì)量比為1～3:100。1：100質(zhì)量比能得到雙層二硫化鎢，3：100質(zhì)量比能得到三層二硫化鎢)。繼續(xù)通入10min，10～20sccm的氬氣。

(2)將管式爐內(nèi)壓強(qiáng)調(diào)至133.29pa，將等離子體能量設(shè)置為100-400w，將第一加熱區(qū)升溫到160℃，第二加熱區(qū)升溫至200℃(升溫過(guò)程中要保持兩個(gè)加熱區(qū)在相同時(shí)間內(nèi)，升溫到對(duì)應(yīng)溫度，升溫時(shí)間為20分鐘)。在兩溫區(qū)都升溫完畢后，改通10sccm氬氣，5sccm氫氣。反應(yīng)10min，降至室溫，就得到ws2。

實(shí)施例1：

(1)將管式爐抽真空到133.29pa，通入氬氣，排除空氣；后將處理好的sio2/si基板置于放有六羰基鎢粉末的船型容器上方，將放有500mg硫粉的容器置于管式爐的第一加熱區(qū)中，再將放有5mg六羰基鎢的瓷舟放于管式爐的第二加熱區(qū)。繼續(xù)通入10min，10～20sccm的氬氣。

(2)將管式爐抽真空到133.29pa，將等離子體發(fā)生裝置的功率設(shè)置為100w，通入10sccm氫氣，去除體系內(nèi)的氧氣。將第一加熱區(qū)升溫至160℃，第二加熱區(qū)升溫至200℃；升溫過(guò)程中保持兩個(gè)加熱區(qū)在相同時(shí)間內(nèi)，升溫到對(duì)應(yīng)溫度，升溫時(shí)間為20分鐘；在兩加熱區(qū)都升溫完畢后，改通10sccm氬氣，5sccm氫氣。反應(yīng)10min，然后降至室溫，就得到ws2。

如圖1所示，光學(xué)顯微鏡下，硫化鎢顏色均勻，表示薄膜均勻性較好。與現(xiàn)有文獻(xiàn)相比，該制備方法在200℃下得到了均勻性較好的二硫化鎢薄膜，大大降低了該材料的制備溫度。制備得到的二維硫硫化鎢薄膜材料在二次電池、場(chǎng)效應(yīng)晶體管、傳感器、有機(jī)電致發(fā)光、電存儲(chǔ)等光電子器件領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。

實(shí)施例2：

(1)將管式爐抽真空到133.29pa，通入氬氣，排除空氣。后將處理好的sio2/si基板置于放有六羰基鎢粉末的船型容器上方，將放有500mg硫粉的容器置于管式爐的第一加熱區(qū)中，再將放有10mg六羰基鎢的瓷舟放于管式爐的第二加熱區(qū)。繼續(xù)通入10min，10～20sccm的氬氣。

(2)將管式爐抽真空到133.29pa，將等離子體發(fā)生裝置的功率設(shè)置為250w，通入10sccm氫氣，去除體系內(nèi)的氧氣。將第一加熱區(qū)升溫到160℃，第二加熱區(qū)升溫至200℃(升溫過(guò)程中保持兩個(gè)加熱區(qū)在相同時(shí)間內(nèi)，升溫到對(duì)應(yīng)溫度，升溫時(shí)間為20分鐘)。在兩加熱區(qū)都升溫完畢后，改通10sccm氬氣，5sccm氫氣。反應(yīng)10min，然后降至室溫，就得到ws2。

如圖2所示，薄膜為單層，同時(shí)樣品均勻性較好，表面是由不同的晶粒組成的。

實(shí)施例3：

(1)將管式爐抽真空到133.29pa，通入氬氣，排除空氣。后將處理好的sio2/si基板置于放有六羰基鎢粉末的船型容器上方，將放有500mg硫粉的容器置于管式爐的第一加熱區(qū)中，再將放有15mg六羰基鎢的瓷舟放于管式爐的第二加熱區(qū)。繼續(xù)通入10min，10～20sccm的氬氣。

(2)將管式爐抽真空到133.29pa，將等離子體發(fā)生裝置的功率設(shè)置為400w，通入10sccm氫氣，去除體系內(nèi)的氧氣。將第一加熱區(qū)升溫到160℃，第二加熱區(qū)升溫至200℃(升溫過(guò)程中保持兩個(gè)加熱區(qū)在相同時(shí)間內(nèi)，升溫到對(duì)應(yīng)溫度，升溫時(shí)間為20分鐘)。在兩加熱區(qū)都升溫完畢后，改通10sccm氬氣，5sccm氫氣。反應(yīng)10min，然后降至室溫，就得到ws2。

如圖3所示，樣品為三層，結(jié)晶性能較好。