[发明专利]一种基于脉冲气流法生长层状二硫化钼薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及到二硫化钼薄膜的制备技术领域，特别涉及到一种基于脉冲气流法生长层状二硫化钼薄膜的方法。

背景技术

层状二硫化钼(MoS₂)是二维过渡金属硫族化合物的典型材料之一，具有独特的性质：1)其单层结构具有类石墨烯结构；2)单层MoS2具有类似于三明治的S-Mo-S的结构，属于六方晶系；3)随着薄膜厚度的降低，其带隙增大，当厚度减小到单层时，其由间接带隙半导体变成直接带隙半导体材料，其带隙约为1.9eV，其发光效率得到大大提高；4)具有良好的载流子输运性能，在微机电子、储能器件、传感器、显示面板和太阳能电池等诸多领域都具有广泛的潜在应用前景，如以单层二硫化钼(MoS₂)制备的场效应晶体管，其开关电流比可达108，在稳定状态下耗能比传统硅晶体管小10万倍；5)具有显著的光致荧光现象，在激发光照射下，由于AB激子的跃迁，可在～670nm和～620nm处发射荧光。

然而，制备基于MoS₂的高性能器件受限于大尺寸高重量的MoS2的可控制备。目前，单层MoS₂的制备方法主要分为：“自上而下”和“自下而上”两种。“自上而下”的制备方法主要包括：微机械剥离法、液相化学剥离法、激光减薄法等。这些方法能够获得单分子层的MoS₂薄膜，但获得的MoS₂薄膜尺寸小，且尺寸和厚度控制性差。“自下而上”的制备方法主要是利用不同的钼源和硫源进行反应，通过气相沉积获得大面积的MoS₂薄膜。“自下而上”的制备方法主要包括：电子束蒸发、热分解、分子束外延生长法以及化学气相沉积法等。这些方法中，用电子束蒸发Mo金属再进行硫化的方法，制备过程分两步，层数控制差，难获得单层；以(NH4)MoS₄为源进行热分解的方法，尾气污染，只能制备三层及以上的MoS₂薄膜；专利201510134872.1公开了一种层状的二硫化钼薄膜的制备方法，采用分子束外延生长法，通过精确控制硫源和钼源的输入，获得层状MoS₂，而通过分子束外延生长法受限于生长设备尺寸，难以获得大尺寸的单层MoS₂材料；而传统的化学气相沉积法直接将固态硫粉和MoO₃在同一管式炉内蒸发并反应，缺少对其流量的精确控制，因而层数和尺寸的重复性、稳定性较差。因此如何稳定重复的大规模制备高质量大尺寸层状MoS₂是实现其潜在应用的重要问题之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于脉冲气流法生长层状二硫化钼薄膜的方法，通过反应源气体的输入流量以及脉冲输入方式，可获得高质量和层数可控的大尺寸二硫化钼薄膜。

为此，本发明采用以下技术方案：

一种基于脉冲气流法生长层状二硫化钼薄膜的方法，包括如下步骤：

1)将衬底置于PEMOCVD反应室中，通入氩气去除反应室中的空气，调节反应室真空度为10-3Pa以下，温度为700℃～800℃，升温速率为40～60℃/min；

2)以氩气为载体，将氧化钼粉末和硫粉末分别加热蒸发为反应源气体，脉冲式通入到PEMOCVD反应室中在衬底上成核成长，通过控制反应源气体的输入流量以及脉冲输入方式，获得特定层数的二硫化钼薄膜。

优选的，所述衬底为经过清洗处理的蓝宝石、石英或者硅。

优选的，所述氧化钼粉末加热蒸发的温度为550℃～650℃，升温速率为40～60℃/min；所述硫粉末加热蒸发的温度为150℃～250℃，升温速率为15～25℃/min。

优选的，所述氧化钼反应源气体的输入流量为10～100sccm；所述硫反应源气体的输入流量为50～200sccm。

优选的，所述氧化钼和硫反应源气体脉冲间隔输入到PEMOCVD反应室中，其方式为：

t₁＝10s内，氧化钼和硫反应源气体脉冲关闭；

t₂＝12s内，氧化钼和硫反应源气体脉冲打开；

t₁-t₂为一个脉冲周期，在脉冲周期内氧化钼和硫反应源气体在衬底上成核成长，重复一定次数的脉冲周期，获得特定层数的二硫化钼薄膜。

优选的，所述重复脉冲周期的次数为80～300次，即获得1～3层的二硫化钼薄膜。