[发明专利]一种过渡金属硫族化合物薄层材料及其制备方法和应用

说明书

本发明属于二维半导体材料技术领域，提供了一种过渡金属硫族化合物薄层材料及其制备方法和应用，本发明通过采用过渡金属氧化物和碘盐作为过渡金属元素源，将硫族元素源与过渡金属元素源在保护气体的氛围下，在衬底上进行化学气相沉积反应，本发明的制备方法可在不超过一分钟的时间内制得晶畴尺寸为10～600μm的过渡金属硫族化合物薄层材料，厚度为0.7～20nm，缺陷浓度不超过1.5×10¹²个/cm²，形貌良好，均匀性好，光学、电学等性能优异，可以应用于微纳结构器件、光学器件、光电器件、化学生物传感器或电化学催化等领域。

技术领域

本发明涉及二维半导体材料技术领域，更具体地，涉及一种过渡金属硫族化合物薄层材料及其制备方法和应用。

背景技术

以半导体硅为基础材料的集成电路的发展极大地推动了现代信息技术的进步。由于短沟道效应、表界面效应等物理规律和集成电路制造成本的限制，主流互补型金属氧化物半导体(CMOS)技术已经达到5nm的技术节点，“摩尔定律”的延续面临终结或延缓。探索下一代半导体材料是科学界和产业界近年来的主流研发方向之一，有望制备出集成度更高、性能更优异的电子和光电器件。

自2004年英国曼彻斯特大学Geim研究小组通过机械剥离法制备出单层石墨烯以来，研究人员发现二维范德华层状材料具有原子级纵向尺寸和无悬挂键的洁净表面，具有高迁移率、良好机械性能等独特物理特性，进而引起了研究者们的广泛关注。其中过渡金属硫族化合物(如二硫化钼、二硫化钨等)具有优异的电学性质、光电性质和可调带隙(0.9～2eV)等特点，进而在微纳结构器件、光学器件、光电器件、化学生物传感器、电化学催化等领域表现出巨大潜力。由于晶界等缺陷会造成载流子的散射而降低迁移率，进而影响微纳结构器件的性能，因此制备大尺寸、高质量的二维过渡金属硫族化合物薄层材料是其走向应用的先决条件之一。

化学气相沉积法是硅基半导体工业中的常见工艺，也是制备二维过渡金属硫族化合物的重要方法。以二硫化钼为例，传统化学气相沉积法通常使用三氧化钼粉末和硫粉作为前驱体，由于三氧化钼源的饱和蒸气压较低，难以有效挥发，以及三氧化钼和硫源的熔沸点及饱和蒸气压相差较大，故而三氧化钼源和硫源在生长体系中的扩散程度不一致，导致所得样品均匀性较差、生长过程缓慢、晶畴尺寸小、缺陷浓度高(大于10¹³个/cm²)。为了实现高质量二维过渡金属硫族化合物薄层材料的秒级(制备时间控制在一分钟以内)、可控制备，研究者们在前驱体、气氛、衬底等方面进行了多种优化尝试。

中国专利CN106811731A(公开日2017.06.09)公开了一种二硫化钨的化学气相沉积法制备方法，该方法以三氧化钨粉末和硫粉为前驱体，将硫粉置于上游，三氧化钨粉末置于管式炉加热区中心的石英舟内，将硅片斜搭在该石英舟上进行化学气相沉积生长；该方法可制得二硫化钨单层材料，但晶畴尺寸较小、难以获得薄膜、且生长时间长达15-45分钟。现有技术也公开了一种制备大尺寸二硫化钨的化学气相沉积方法，该方法采用金为衬底，通过惰性气体和氢气进行多步“生长-刻蚀”，该方法提高了二硫化物的晶畴尺寸，但所制备的二硫化物必须转移至绝缘衬底上才能用于构建微纳结构器件，此外所使用的金基底价格昂贵、多步“生长-刻蚀”循环使得制备时间较长，达到300分钟。

综上，目前制备过渡金属硫族化合物薄层材料仍然存在很多问题，亟需开发一种材料生长速率快、所制得的过渡金属硫族化合物薄层材料晶畴尺寸大、均匀性好的制备工艺。

发明内容

本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种过渡金属硫族化合物薄层材料及其制备方法和应用，本发明的制备方法能够提高过渡金属元素的挥发速度，从而提高材料生长速率，所需保温时间短，能够在不超过一分钟的时间内制得晶畴尺寸为10～600μm的过渡金属硫族化合物薄层材料，厚度为0.7～20nm，且均匀性好，缺陷浓度不超过1.5×10¹²个/cm²。

本发明的第一方面提供一种过渡金属硫族化合物薄层材料的制备方法。