[发明专利]基于衬底硫化预处理的单层二硫化钼的制备方法

说明书

本发明属于二维半导体材料技术领域，具体为基于衬底硫化预处理的单层二硫化钼的制备方法。本发明以硅片作为生长衬底，在衬底经过清洗之后，将其置于石英试管中在含硫蒸气的环境下进行硫化处理，接着采用化学气相沉积的方法制备单层二硫化钼。本发明通过优化衬底硫化处理的温度、时间，制备出高质量的单层二硫化钼单晶及大面积连续薄膜。该方法过程简单，无需价格昂贵的硫化源及生长源。所制备的高质量单层二硫化钼可以用于制备具有更高荧光量子产率、更优异性能的特殊功能的光电子器件和微纳电子器件。

技术领域

本发明属于二维半导体材料技术领域，具体涉及单层二硫化钼的制备方法。

技术背景

二硫化钼（MoS₂）是一种典型的新型二维半导体材料，具有优异的光学和电学性质。单层二硫化钼具有三明治的夹心结构，其中两层硫原子间夹着一层钼原子，每一个钼原子周围分布着6个硫原子，每一个硫原子周围分布着3个钼原子，它们以强烈的共价键结合。块体二硫化钼层与层之间是通过范德华力结合，随着层数的减少，其带隙会由多层的间接带隙变成单层的直接带隙半导体。单层二硫化钼的带隙大约为1.8eV，具有良好的载流子输运性能，作为与石墨烯互补的新型二维半导体材料，其晶体管具有高达10⁸的电流开关比，且具有较低的能量损耗，被认为是下一代集成电路中替代硅续写摩尔定律的重要材料之一。因此，高质量二硫化钼的制备对于其在光电器件、场效应晶体管等领域的应用显得尤为重要。

一般而言，化学气相沉积生长的单层二硫化钼和机械剥离的二硫化钼普遍存在非金属元素硫空位，这些硫空位缺陷会降低二硫化钼的光学质量和电学性能。有人提出采用化学试剂处理二硫化钼以达到修复硫空位的目的。例如，使用双（三氟甲烷）磺酰亚胺处理机械剥离的单层二硫化钼，可以使其荧光量子效率达到接近100%。其他的化学试剂如3-巯丙基三甲氧基硅烷也被用来修复单层二硫化钼中的硫空位，从而提高二硫化钼器件的电学性能。然而化学试剂处理的方法会引入污染杂质吸附在缺陷空位处，并且在修复过程中还需要对单层二硫化钼进行高温处理，这些冗杂的步骤限制了二硫化钼在光电子器件领域的应用。化学气相沉积法是制备大面积二硫化钼最有效的方法，为了提高基于二硫化钼的光电子器件和微纳电子器件的性能，需要制备高质量的单层二硫化钼薄膜。如何直接通过化学气相沉积的方法来制备高质量的单层二硫化钼已经成为二维半导体材料领域研究的重点问题之一。毫无疑问这一技术的突破将会促进其他二维过渡金属硫族化合物的制备技术突破，从而制备出种类繁多的高质量二维过渡金属硫族化合物半导体材料，推动新型二维半导体材料在集成电路领域的应用。

衬底硫化是有效提高化学气相沉积制备二硫化钼的质量的关键因素。选用硅片作为生长衬底，由于硅片具有天然的导电层和绝缘介质层，生长得到的单层二硫化钼样品可直接用于后期器件工艺，不需要经过转移过程，从而减少工艺流程，降低器件的加工成本。本发明提出一种基于衬底硫化预处理的高质量单层二硫化钼的制备方法，以固体单质硫作为硫源，硅片在硫蒸气热处理的过程中会形成化学成键的硫化层，接着通过化学气相沉积的方法在硫化处理后的硅片上生长单层二硫化钼。通过控制硅片衬底硫化处理的温度、时间等手段，从而控制化学气相沉积生长的二硫化钼的质量。利用本发明能够在已有化学气相沉积生长二硫化钼的基础上，制备出光学质量好、硫空位缺陷少的高质量单层二硫化钼。

发明内容

本发明的目的是，针对化学气相沉积法制备的单层二硫化钼普遍存在的硫空位导致其发光效率较低、电学性能差等问题，提出了一种高质量的单层二硫化钼的制备方法。

本发明提供的单层二硫化钼的制备方法，是基于衬底硫化预处理的，具体步骤如下：

（1）对硅片衬底进行硫化处理：将硫单质固体和硅片衬底分别置于石英试管（内径可以为20-25 mm）中，调整硫源和衬底至合适位置，在持续通入氮气保护气体的双温区管式炉中分别对硫单质和衬底加热，在硫蒸气环境下，在衬底表面形成与硫形成化学键的硫化层；

（2） 在经步骤（1）处理的衬底上旋涂50-100 μmol/L的3, 4, 9, 10, -芘四羧酸钾盐（PTAS）溶液，以促进二硫化钼的成核和生长；