具有1T制造技术

本发明专利技术公开了一种超高真空腔体环境下通过分子束外延技术手段生长具有1T

【技术实现步骤摘要】
具有1T
’
结构相的单原胞层二硫化钨薄膜及其制备方法


[0001]本专利技术属于二维材料制备
，更具体地说，涉及一种在单原胞层二硫化钨的生长过程中，实现具有亚稳1T
’
结构相的单原胞层二硫化钨薄膜的控制生长方法。

技术介绍

[0002]自从在实验上实现石墨烯的制备以来，二维材料的研究受到了极其广泛的关注。石墨烯在电子结构、机械强度、稳定性等多个方面都表现出独特的性能。在电子输运方面，虽然石墨烯具有非常大的载流子迁移率，但是其本身是个零能隙的半导体，在传统半导体应用领域受到很多限制；另一方面，在最初的量子自旋霍尔效应(也称为二维拓扑绝缘体)理论研究中，量子自旋霍尔效应材料的二维体电子态具有能隙，是一种绝缘体(半导体)。而在量子自旋霍尔效应绝缘体的一维边缘存在一种特殊的、且受到时间反演对称性保护的金属性边缘态。该边缘态中的电子具有自旋
‑
动量锁定的特性，也就是说沿确定方向运动的电子其自旋方向也是严格确定的，沿着相反方向运动的电子，其自旋方向严格相反。因此，可以简单地通过对电子流动方向的控制来实现对自旋的选择控制。
[0003]受石墨烯结构的启发，近年来人们对具有类似石墨烯结构的其他二维材料的结构稳定性、电子能带结构以及拓扑态特性开展了一系列的研究。在这些新材料体系中，理论预期具有1T
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结构相的单原胞层二硫化钨(1T
’‑
WS2)的自旋
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轨道耦合效应较大，有望成为探索基于大能隙量子自旋霍尔效应器件的理想材料体系之一。但由于单层的1T
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WS2是个非稳定相，在实验中尚未成功制备。而目前制得的单元胞层的WS2往往是稳定的2H结构相(2H
‑
WS2)。因此，制备具有1T
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结构相的单原胞层WS2和相变研究成为了实现二维拓扑绝缘体实用化的关键步骤之一。
[0004]现有采用分子束外延技术制备单原胞层1T
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WS2薄膜时，硫源原料为硫单质，但由于硫单质天然在室温下具有极高的饱和蒸汽压，会破坏超高真空生长环境、损坏真空泵组，需要采用具有微漏阀和束流裂解功能的特种蒸发源，例如采用德国MBE
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KOMPONENTEN GmbH公司的Valved Sulfur Cracker Source VCS
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300蒸发源(https://www.mbe
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komponenten.de/products/mbe
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components/valved
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sources/vcs.php)，其针对硫的可控蒸发，设计了VCS阀控式硫磺裂解器源，可用于第VI族半导体薄膜的生长。但该蒸发源价格昂贵，采用该法制备单原胞层1T
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WS2薄膜设备成本极高，且目前尚无能够替代上述特种蒸发源的国产热蒸发源。如何能够打破分子束外延技术制备单原胞层1T
’‑
WS2薄膜中设备的限制，能够低成本地规模化生产亚稳定相的1T
’‑
WS2薄膜，成为本领域研究人员亟待解决的技术难题。

技术实现思路

[0005]1.要解决的问题
[0006]针对亚稳定相的1T
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WS2在实验室和工业上制备成本高的问题，本专利技术提供了一种具有1T
’
结构相的单原胞层WS2薄膜的制备方法，以及调控其1T
’
相比例的控制方法，该方
法突破现有技术中的硫蒸发源限制，采用普通标准蒸发源即可得到具有1T
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结构相的单原胞层WS2薄膜，使得系统性、规模化的选择性生产具有1T
’
结构相的单原胞层WS2成为了可能。
[0007]2.技术方案
[0008]为了解决上述问题，本专利技术所采用的技术方案如下：
[0009]本专利技术第一方面提供一种具有1T
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结构相的单原胞层二硫化钨薄膜的制备方法，包括在超高真空条件下，在衬底上，硫采用硫化亚铁为原料通过热蒸发源提供，控制衬底的温度，生长具有1T
’
亚稳结构相的单原胞层1T
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WS2薄膜的步骤。其中，以硫化亚铁为原料的热蒸发源，为具有温度控制(例如PID(Proportion Integral Differential)自动化温度控制)、集成水冷、束流遮门功能的普通分子束外延标准蒸发源(例如Knudsen cell)，相比于MBE
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KOMPONENTEN GmbH公司的Valved Sulfur Cracker Source VCS系列蒸发源，采用本专利技术方法，微漏阀和束流裂解功能不再成为蒸发源的必要功能。也就是说，采用不具备微漏阀和束流裂解功能的国产的普通标准热蒸发源，同样可以通过分子束外延生长技术成功制备具有1T
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结构相的单原胞层二硫化钨薄膜，尤其是制备100％单一1T
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结构相的单原胞层1T
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WS2薄膜，并可以调控生长出来薄膜中的1T
’‑
WS2和2H
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WS2两个相的相对比例，此类材料的制备不再依赖于昂贵的进口特种蒸发源。
[0010]作为本专利技术第一方面任一技术方案的优选，方法具体包括在超高真空条件下，在SrTiO3(100)晶片衬底上，硫采用硫化亚铁为原料通过热蒸发源提供，钨采用直径约1.5mm的钨棒通过电子束蒸发源提供，控制SrTiO3(100)晶片衬底的温度，生长具有1T
’
亚稳结构相的单原胞层1T
’‑
WS2薄膜的步骤。
[0011]作为本专利技术第一方面任一技术方案的优选，所述硫化亚铁蒸发源温度设置为780
±
2℃。
[0012]作为本专利技术第一方面任一技术方案的优选，所述硫化亚铁热蒸发源的升温速率为5～20℃/min，特别优选升温速率为10℃/min。
[0013]作为本专利技术第一方面任一技术方案的优选，控制钨源束流和硫束流的比例为1:10～1:15。
[0014]作为本专利技术第一方面任一技术方案的优选，所述衬底为SrTiO3(100)晶片，控制SrTiO3(100)晶片衬底的温度为340～360℃，得到100％单一1T
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结构相的单原胞层1T
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WS2薄膜。
[0015]作为本专利技术第一方面任一技术方案的优选，所述衬底为SrTiO3(100)晶片，控制SrTiO3(100)晶片衬底的温度为360～480℃，不包含360℃本数，得到具有部分1T
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结构相的单原胞层WS2薄膜，非1T
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结构相的部分为常见的稳定2H
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WS2结构相。更优选地，通过调节生长过程中SrTiO3(100)晶片衬底的温度，可以调控生长出来薄膜的1T
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WS2和2H
‑<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有1T
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结构相的单原胞层二硫化钨薄膜的制备方法，其特征在于，包括在超高真空条件下，硫采用以硫化亚铁为原料通过热蒸发源提供，控制衬底的温度，生长具有1T
’
亚稳结构相的单原胞层1T
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WS2薄膜的步骤。2.根据权利要求1所述的具有1T
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结构相的单原胞层二硫化钨薄膜的制备方法，其特征在于，所述热蒸发源温度设置为780
±
2℃。3.根据权利要求2所述的具有1T
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结构相的单原胞层二硫化钨薄膜的制备方法，其特征在于，所述热蒸发源的升温速率为5～20℃/min。4.根据权利要求2所述的具有1T
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结构相的单原胞层二硫化钨薄膜的制备方法，其特征在于，控制钨源束流和硫束流的比例为1:10～1:15。5.根据权利要求2所述的具有1T
’
结构相的单原胞层二硫化钨薄膜的制备方法，其特征在于，所述衬底为SrTiO3(100)晶片，控制SrTiO3(100)晶片衬底的温度为340～360℃，得到100％单一1T
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结构相的单原胞层1T
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WS2薄膜。6.根据权利要求2所述的具有1T
’
结构相的单原胞层二硫化钨薄膜的制备方法，其特征在于，所述衬底为SrTiO3(100)晶片，控制SrTiO3(100)晶片衬底的温度为360～480℃，不包含360℃，得到具有部分1T
’
结构相的单原胞层WS2薄膜。7.根据权利要求2所述的具有1T
’
结构相的单原胞层二硫化钨薄膜...

【专利技术属性】
技术研发人员：张翼，田启超，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：