[发明专利]原子层沉积一步制备具有超润滑作用的二硫化钼薄膜的方法及其产品和应用

说明书

本发明涉及原子层沉积一步制备具有超润滑作用的MoS₂薄膜的方法及其产品和应用。将Si基底经以下方式进行清洗：用乙醇、丙酮擦拭后，依次在丙酮、去离子水中超声振荡5‑10分钟，再用去离子水反复清洗后用氮气枪吹干后放入原子层沉积系统反应室内，采用Mo(CO)₆(六羰基钼)固体源和SH(CH₂)₂SH（乙二硫醇）液体源，采用原子层沉积一步制备具有优异润滑效果的MoS₂薄膜。本发明涉及的制备方法，无需进行额外的高温硫化过程；有效简化了整体制备过程，在未使用等离子等辅助工艺的条件下，获得了摩擦系数极低的MoS₂薄膜，易于实现大规模批量生产，具有重要的应用潜力。

技术领域

本发明涉及一种固体润滑薄膜，具体涉及到采用原子层沉积技术一步制备润滑作用明显的固体MoS₂薄膜的方法及其产品和应用。

背景技术

过度金属硫化物具有与石墨类似的层状结构，被归入新型二维材料类型。其中，本体MoS₂与石墨烯1.3eV的间接能隙不同，少层本体MoS₂薄膜具有1.8eV的直接带隙，室温下50-200cm²/Vs 优异迁移率；使其同时具备良好的光学、电学、力学及机械性能，在晶体管的半导体活性层薄膜、析氢反应的催化剂及锂离子电池电极材料及固体润滑领域等方面获得了广泛关注。

在MoS₂薄膜的制备及控制的技术研究中，传统的化学气相沉积、物理插层等方法都存在厚度无法控制、制备薄膜质量较低等问题。而原子层沉积（ALD）方法对沉积材料可实现原子层级别的精度控制，近年来，开启了原子层沉积技术制备MoS₂的探索实验。

在已有的文献（非专利）报导中，原子层沉积方法制备MoS₂时 Mo前驱源的选择相对较多，主要包括：Mo(CO)₆(六羰基钼)；MoCl₅（五氯化钼）及MoF₆(六氟化钼)等；但适用于原子层沉积用的硫前驱源较少，(H₂S气体因有毒、易爆而不利于大规模生产)。多先采用ALD方法沉积MoO₃薄膜，后在富硫环境中硫化获得MoS₂（Chem. Mater. 2017, 29, 2024−2032：Process Control of Atomic Layer Deposition Molybdenum Oxide Nucleation andSulfidation to Large-Area MoS2 Monolayers）。

最近，Stéphane Cadot等采用SH(CH₂)₂SH（乙二硫醇）作为硫源， Mo(NMe₂)₄[四（二甲氨基）钼]为前驱源，虽然能够在较低的窗口温度下 （100-120℃）生长出MoS₂薄膜，但仍需要结合高温退火脱去多余硫含量并提高其结晶性。（Nanoscale, 2017, 9, 538–546：novel 2-step ALD route to ultra-thin MoS₂ films on SiO₂ through a surfaceorganometallic intermediate）。

类似地，在闵耀燮申请的专利“MoS₂ 薄膜及其制造方法”[CN 105408516 A]中，采用了Mo(CO)₆(六羰基钼)作为钼的前驱源，C₂H₆S₂（二甲基二硫醚）为硫前驱源进行ALD沉积后，需要在400-1000℃下进行热处理。（p2权利要求17）。

综上，在采用原子层沉积方法制备MoS₂薄膜时，如何实现一步法直接制备性能良好的本体薄膜仍旧是需要解决的难题。