一种过渡金属硫族化合物薄层材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术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，本发明专利技术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，本发明专利技术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

【技术实现步骤摘要】
一种过渡金属硫族化合物薄层材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及二维半导体材料
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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10
13
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。
[0005]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。
[0006]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。

技术实现思路

[0007]本专利技术旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本专利技术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，本专利技术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
×
10
12
个/cm2。
[0008]本专利技术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。
[0009]具体地，一种过渡金属硫族化合物薄层材料的制备方法，包括如下步骤：
[0010]将过渡金属元素源和硫族元素源，在保护气体的氛围下，在衬底上进行化学气相沉积反应，制得所述过渡金属硫族化合物薄层材料；所述过渡金属元素源包括：过渡金属氧化物和碘盐。
[0011]本专利技术采用过渡金属氧化物和碘盐作为过渡金属元素源，体系中的碘元素在反应过程中形成易挥发的碘单质，碘单质快速挥发，带动了过渡金属氧化物在体系中的挥发，增大过渡金属氧化物在体系中的供给量，提高过渡金属氧化物反应的活性，从而使材料快速生长，可在较短的反应时间内获得大尺寸的过渡金属硫族化合物薄层材料。
[0012]优选地，所述过渡金属氧化物和碘盐的质量比为1:(0.1～2)。
[0013]更优选地，所述过渡金属氧化物和碘盐的质量比为1:(0.1～0.6)。
[0014]优选地，所述过渡金属元素和硫族元素的物质的量之比为1:(10～300)。
[0015]更优选地，所述过渡金属元素和硫族元素的物质的量之比为1:10、1:20、1:50、1:100、1:150或1:300。
[0016]优选地，所述过渡金属氧化物为三氧化钼和/或三氧化钨。
[0017]优选地，所述硫族元素源为硫源、硒源、碲源中的一种或几种。
[0018]优选地，所述硫源为硫粉末、硒粉末、碲粉末中的一种或几种。
[0019]优选地，所述碘盐为碘化钾。
[0020]优选地，所述化学气相沉积反应的压强为0.05～760Torr。
[0021]更优选地，所述化学气相沉积反应的压强为100～760Torr。
[0022]优选地，所述化学气相沉积反应在管式炉中进行，所述管式炉包括第一加热区和第二加热区，所述过渡金属元素源置于第一加热区，所述硫族元素源置于第二加热区。
[0023]优选地，所述第二加热区位于管式炉第一加热区的上游。
[0024]优选地，所述过渡金属硫族化合物薄层材料的制备方法，包括如下步骤：
[0025]在保护气体的氛围下，将所述过渡金属元素源和所述硫族元素源置于衬底上，以10～60℃/min的升温速率进行升温，其中第一加热区升温至500～900℃，第二加热区升温至100～200℃，然后在该温度下进行保温，保温时间为0～60min，反应结束后在保护气体的氛围下冷却。
[0026]优选地，所述升温速率为30～40℃/min。
[0027]优选地，所述第一加热区升温至700～850℃。
[0028]优选地，所述保温时间为0～20s。
[0029]优选地，所述保护气体为氮气和/或氩气。
[0030]优选地，所述保护气体的通入速率为1～1000sccm。
[0031]更优选地，所述保护气体的通入速率为10～200sccm。
[0032]优选地，所述冷却为冷却至室温。
[0033]优选地，所述衬底为硅片和/或c面蓝宝石。
[0034]本专利技术的第二方面提供一种过渡金属硫族化合物薄层材料。
[0035]本专利技术保护上述过渡金属硫族化合物薄层材料的制备方法制得的过渡金属硫族化合物薄层材料，所述过渡金属硫族化合物薄层材料的晶畴尺寸为10～600μm。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种过渡金属硫族化合物薄层材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤:将过渡金属元素源和硫族元素源，在保护气体的氛围下，在衬底上进行化学气相沉积反应，制得所述过渡金属硫族化合物薄层材料；所述过渡金属元素源包括：过渡金属氧化物和碘盐。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述过渡金属氧化物和碘盐的质量比为1:(0.1～2)。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述过渡金属元素源中的过渡金属和硫族元素源中的硫族元素的物质的量之比为1:(10～300)。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述过渡金属氧化物为三氧化钼和/或三氧化钨。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述硫族元素源为硫源、硒源、碲源中的一种或几种。6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述化学气相沉积反应在管式炉中进行，所述管式炉包括第一加热区和第二加热区，所述过渡金属元素源置于...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘碧录，吴沁柯，农慧雨，唐磊，成会明，
申请(专利权)人：清华伯克利深圳学院筹备办公室，
类型：发明
国别省市：