本發(fā)明涉及一種二硫化鉬的基底轉移方法，屬于材料科學領域。

背景技術：

單層二硫化鉬是一種新型的二維原子晶體，以由s-mo-s組成的三棱柱為結構單元。與零帶隙的石墨烯相比，單層二硫化鉬是具有直接帶隙(～1.9ev)的半導體，因此更有望代替硅晶，成為下一代計算機芯片材料。并且單層的二硫化鉬的柔性特性能夠滿足日益增長的可穿戴設備要求。同時，單層二硫化鉬還具有帶隙可調、強光-物質相互作用，強自旋軌道耦合等獨特的物理性質，因此也在光電檢測及未來的自旋電子器件、谷電子器件等的領域具有應用前景。目前，人們采用化學氣相沉積(cvd)方法在有二氧化硅層的硅片(sio2/si)、藍寶石(sapphire)、云母(mica)鈦酸鍶(sto)等基底上制備出大面積、高質量二硫化鉬，并通過刻蝕基底的方法把二硫化鉬轉移到目標襯底。由于用刻蝕法轉移二硫化鉬的過程中會使用氫氟酸(hf)或強堿(naoh)刻蝕基底，所以生長基底會被破壞無法再使用，hf等廢液也會對環(huán)境產(chǎn)生污染，同時刻蝕耗時較長。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種二硫化鉬的基底轉移方法。本發(fā)明是一種快速、無需刻蝕生長基底的轉移方法，生長基底可以循環(huán)使用并對環(huán)境友好，極大的縮短了基底轉移的時間。

本發(fā)明提供的二硫化鉬的基底轉移方法，包括如下步驟：1)將生長有二硫化鉬的生長基底中有二硫化鉬的一面滴涂聚甲基丙烯酸甲酯溶液，使所述聚甲基丙烯酸甲酯溶液在二硫化鉬上成膜，得到涂有聚甲基丙烯酸甲酯的二硫化鉬的生長基底；

2)將步驟1)中所述涂有聚甲基丙烯酸甲酯的二硫化鉬的生長基底放入去離子水中超聲，使涂有聚甲基丙烯酸甲酯的二硫化鉬與所述生長基底脫離；

3)使用目標襯底與步驟2)中所述涂有聚甲基丙烯酸甲酯的二硫化鉬貼合；

4)將步驟3)中所述二硫化鉬浸入有機溶劑中除去所述聚甲基丙烯酸甲酯，得到目標襯底上的二硫化鉬。

上述的方法中，所述生長有二硫化鉬的生長基底的制備方法包括如下步驟：在所述生長基底采用化學氣相沉積法制備所述二硫化鉬；

所述生長基底為有二氧化硅層的硅片、藍寶石、云母或鈦酸鍶；

所述聚甲基丙烯酸甲酯溶液為聚甲基丙烯酸甲酯溶于丙酮、乙酸乙酯或甲苯中配成。

上述的方法中，所述成膜采用勻膠機；

所述勻膠機的轉速可為500～1500rpm，具體可為1000rpm、1000～1500rpm、500～1500rpm或800～1200rpm；

所述勻膠機的勻膠時間可為30～60s，具體可為50s、50～60s、30～50s或45～55s。

上述的方法中，所述超聲的功率可為70～180w，具體可為180w；

所述超聲的時間可為3～60s，具體可為10s、10～60s、3～10s、8～20s或5～30s；

所述去離子水的溫度可為25～80℃，具體可為80℃、60～80℃、50～80℃或30～80℃。

上述的方法中，步驟2)中還包括將所述涂有聚甲基丙烯酸甲酯的二硫化鉬的生長基底加熱的步驟。

上述的方法中，所述加熱的溫度可為80～150℃，具體可為100℃、80～100℃、100～150℃或90～140℃；所述加熱的時間為5～30min，具體可為10min、10～30min、5～10min或8～25min。

上述的方法中，步驟3)中還包括將所述涂有聚甲基丙烯酸甲酯的二硫化鉬除水的步驟。

上述的方法中，所述除水的溫度可為100～150℃，具體可為100℃或100～130℃；所述除水的時間可為10～30min，具體可為15min、15～30min、10～15min或10～25min。

上述的方法中，所述有機溶劑為丙酮、乙酸乙酯、甲苯、苯和氯仿中的至少一種。

上述的方法中，所述目標襯底為無機物基底、金屬基底和有機物基底中的至少一種；

所述無機物基底為有二氧化硅層的硅片、鈦酸鍶、石英、藍寶石、玻璃、石墨和六方氮化硼中的至少一種；

所述金屬基底為金箔、單晶金和鉑箔中的至少一種；

所述有機物基底為pet、pva和pdms中的至少一種。

本發(fā)明具有如下優(yōu)點：

本發(fā)明使用超聲振動將二硫化鉬與生長基底剝離，避免了氫氟酸(hf)或強堿(naoh)刻蝕劑的使用，既無損生長基底，使其可以循環(huán)利用，又對環(huán)境零污染。同時，本發(fā)明極大的縮短了轉移所需時間，從刻蝕法所需的30～60min縮短到3～60s。該方法具有高效、經(jīng)濟的特性，在二硫化鉬器件大規(guī)模應用方面極具潛力。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的工作原理以及主要實驗步驟的示意圖及過程照片，其中，圖1(a) 為超聲鼓泡原理示意圖；圖1(b)為轉移過程示意圖；圖1(c)為超聲轉移過程中將要轉移的樣品放入超聲清洗機中的照片；圖1(d)為從生長基底剝離下來的pmma/mos2疊層結構漂浮在水上的照片；圖1(e)為2英寸大小的二硫化鉬轉移到硅片上的照片。

圖2是通過本發(fā)明轉移到300nmsio2/si襯底上二硫化鉬的形貌表征、光學表征及拉曼表征；其中，圖2(a)、(b)、(c)、(d)分別為硅片、云母、鈦酸鍶、藍寶石上生長的二硫化鉬的sem照片；圖2(e)、(f)、(g)、(h)為硅片、云母、鈦酸鍶、藍寶石上生長的二硫化鉬轉移到目標硅片上的照片；圖2(i)、(j)、(k)、(l)分別為硅片、云母、鈦酸鍶、藍寶石上生長的二硫化鉬轉移到目標硅片上的高倍光學照片與拉曼表征。

圖3是本發(fā)明實施例中藍寶石上二硫化鉬轉移到300nmsio2/si襯底的光學、拉曼及熒光表征；其中，圖3(a)為二硫化鉬從藍寶石基底轉移到目標硅片后的照片；圖3(b)為目標硅片上二硫化鉬薄膜的高倍光學照片(左邊界)；圖3(c)為目標硅片上二硫化鉬薄膜的高倍光學照片(左中區(qū)域)；圖3(d)為目標硅片上二硫化鉬薄膜的高倍光學照片(中間區(qū)域)；圖3(e)為目標硅片上二硫化鉬薄膜的高倍光學照片；圖3(f)為目標硅片上二硫化鉬薄膜的拉曼掃描成像(ramanmapping)；圖3(g)為目標硅片上二硫化鉬薄膜的熒光掃描成像(mapping)；圖3(h)為目標硅片上二硫化鉬小島的高倍光學照片；圖3(i)為目標硅片上二硫化鉬小島的拉曼掃描成像；圖3(j)為目標硅片上二硫化鉬小島的熒光掃描成像；圖3(k)為轉移前后不同基底上二硫化鉬的拉曼對比；圖3(l)為轉移前后不同基底上二硫化鉬的熒光對比。

圖4是生長基底可循環(huán)利用展示、轉移所需時間對比、超聲參數(shù)研究及光電檢測器應用展示；其中圖4(a)為使用超聲鼓泡轉移法和傳統(tǒng)濕法刻蝕轉移法的藍寶石基底對比照片；圖4(b)為使用超聲鼓泡轉移后的藍寶石基底afm照片；圖4(c)為超聲鼓泡轉移后的生長基底再次使用生長的二硫化鉬sem照片；圖4(d)為不同轉移方法用時對比；圖4(e)為超聲功率對轉移時間的影響；圖4(f)為工作溫度對轉移時間的影響；圖4(g)為石墨烯/二硫化鉬疊層結構fet器件的光學照片；圖4(h)為明態(tài)與暗態(tài)的伏安特性曲線；圖4(i)為石墨烯/二硫化鉬疊層結構的能帶示意圖。

具體實施方式

下述實施例中所使用的實驗方法如無特殊說明，均為常規(guī)方法。

下述實施例中所用的材料、試劑等，如無特殊說明，均可從商業(yè)途徑得到。

實施例1、一種快速、無需刻蝕生長基底的二硫化鉬轉移方法

本發(fā)明采用超聲剝離的二硫化鉬轉移方法，主要原理與實驗步驟如圖1所示，步驟如下：

1)在藍寶石生長基底上采用cvd法制備二硫化鉬，具體制備過程如下：將藍寶石生長基底放入lpcvd腔體中，并在上游依次放置0.5g-1g硫粉和粒徑為10μm的三氧化鉬粉末(20mg)，硫粉與moo3的距離為35cm；三氧化鉬粉末與藍寶石基底距離為10cm；其中硫粉在爐體外用加熱帶加熱。啟動機械泵將體系抽至1pa并保持開啟狀態(tài)，再以50sccm氬氣和10sccm氫氣清洗管路系統(tǒng)10min。然后切斷氫氣供應，以50sccm氬氣作為載氣，105℃下加熱硫粉使之緩慢揮發(fā)，同時加熱爐體使之在35min(升溫速率為15℃/min)內升溫至530℃的生長溫度，體系真空度為1pa，并在此溫度保持30-60min進行低壓化學氣相沉積。之后掀開爐蓋，切斷硫供應，在流量為10sccm的氫氣氣氛和氬氣氣氛中，自然冷卻降溫至室溫，打開放氣閥平衡系統(tǒng)內外壓力，取出樣品，得到藍寶石基底上的二硫化鉬。

2)將生長有二硫化鉬的藍寶石放在勻膠機上，在生長基底表面滴涂聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)溶液，勻膠機轉速1000rpm，勻膠時間50s，啟動勻膠機，使pmma在二硫化鉬上均勻成膜。

3)將2)中得到的涂有pmma薄膜的生長基底放到加熱臺上，100℃烤膠10min，烘干溶劑。

4)將3)中得到的烤膠烘干后的生長基底放入裝有80℃去離子水的燒杯中，再把該燒杯放入超聲清洗機中以180w功率超聲10s，使得有pmma支撐的二硫化鉬薄膜與生長基底脫離。

5)用300nmsio2/si目標襯底將4)中得到的二硫化鉬薄膜撈起，放到加熱臺上加熱至100℃，保持15min去除殘留水分，使二硫化鉬薄膜與目標襯底很好的貼合。

6)將5)中得到的轉移到300nmsio2/si襯底上的二硫化鉬薄膜浸入丙酮1h除去pmma。

本實施例與現(xiàn)有刻蝕法相比，避免了氫氟酸(hf)或強堿(naoh)刻蝕劑的使用，對生長基底無損，生長基底可以循環(huán)使用，并且極大的縮短了轉移所需時間。

圖2是通過本發(fā)明成功轉移不同生長基底上的二硫化鉬到300nmsio2/si襯底的表征。圖2(a-d)是轉移之前在不同生長基底(二氧化硅、云母、鈦酸鍶、藍寶石)上的二硫化鉬的電子顯微鏡(sem)照片，深色襯度為二硫化鉬。圖2(e-h)是轉移后的生長基底和300nmsio2/si襯底的對比照片。圖2(i-l)是轉移后的300nmsio2/si襯底上二硫化鉬的光學照片及拉曼表征。圖2(a-d)與圖2(i-l)對比顯示，二硫化鉬的形貌在轉移前后基本保持不變。并且拉曼特征峰峰間距顯示二氧化硅、云母、鈦酸鍶上生長的二硫化鉬為單層(峰間距20cm^-1)，而藍寶石上為多層(25cm^-1)。

圖3是實施例中藍寶石上二硫化鉬轉移到300nmsio2/si襯底的光學、拉曼及熒光表征。實施例中采用的藍寶石基底上生長的二硫化鉬與圖2(d)生長條件不同，為單層二硫化鉬。圖3(a-d)是轉移后300nmsio2/si襯底上二硫化鉬大范圍光學照片，在毫米尺度的均一襯度體現(xiàn)了轉移后二硫化鉬的均勻性。圖3(e-j)是選定區(qū)域的拉曼峰強、熒光峰強mapping，顯示在微米尺度信號強度均一，證明了二硫化鉬層數(shù)與晶體質量的均勻性。圖3(k)是單層二硫化鉬的拉曼光譜表征，拉曼振動峰位于385cm^-1和405cm^-1，分別對應單層二硫化鉬的e2g¹和a1g振動模。圖3(l)是熒光光譜表征，表現(xiàn)出～662nm處的一個很強的單峰。

圖4(a)是用本發(fā)明轉移后的藍寶石生長基底(圖4(a)中(1))與刻蝕法轉移后的藍寶石生長基底(圖中4(a)中(2))的照片對比，可以直觀看出本發(fā)明轉移后的基底表面光滑，而刻蝕法轉移后的基底表面明顯粗糙。

圖4(b)是圖4(a)中本發(fā)明轉移后的藍寶石生長基底的原子力顯微鏡(afm)圖像。表明在微觀尺度上藍寶石表面的平整。

圖4(c)是圖4(a)中本發(fā)明轉移后的藍寶石生長基底第二次生長二硫化鉬的sem圖片。表明本發(fā)明轉移后的生長基底可以循環(huán)使用。

圖4(d)是本發(fā)明轉移方法與刻蝕法在步驟4)中使二硫化鉬薄膜與生長基底脫離所需時間。

圖4(e)是步驟4)中超聲功率對轉移時間的影響。

圖4(f)是步驟4)中去離子水溫度對轉移時間的影響。

該實施例的應用：

在實施例得到的300nmsio2/si襯底上的二硫化鉬表面覆蓋上石墨烯(graphene)薄膜，形成graphene-mos2光電檢測器原型器件(圖4(g))。光電測試結果如圖4(h)，與暗態(tài)源漏電流相比，在可見光(150w氙燈)照射下的源漏電流有所降低，在負柵壓調制下更為明顯，在-100v的光響應度約為1.3×10⁴a/w，顯著優(yōu)于目前報道的大部分的石墨烯光電檢測器或二硫化鉬光電檢測器。其工作原理如圖4(i)所示。