製備大面積單層二硫化鎢和二硫化鉬

作為21世紀高科技產業,半導體工業的高速發展已經遠遠超過傳統的鋼鐵工業與汽車工業。矽材料是半導體工業的基石,但是隨著集成度的不斷增加,尺寸縮小將主要引起器件漏電與靜態功耗密度增加等問題。近來,過渡金屬硫族化合物,尤其是作為代表的二硫化鎢與二硫化鉬,因其優越的電學、光學、 力學性質,和石墨烯一樣作為一種有潛力的後矽時代的材料,迄今為止引起了科學界的廣泛關注。

然而,現有的一般化學、物理法難以製備出厚度僅為幾個原子層的二硫化鎢或二硫化鉬。目前製備單層二硫化鎢或二硫化鉬的方法主要有機械剝離法、液相 剝離法和以惰性非金屬材料為生長基體的化學氣相沉積法。前兩種方法產量小,效率低,重複性差,不能大面積得到單 層二硫化鎢與二硫化鉬。相比于前兩種方法,傳統的化學氣相沉積法由於范德華外延生長機制,所得材料的層數可控性差,難以獲得大面積均一的單層材料,並且材料晶粒尺寸小,存在大量的硫原子空位等結構缺陷,導致其載流子遷移率 低。因此,獲得大面積單層結構一直是進一步應用二硫化鎢和二硫化鉬材料的基礎,更是技術難題。

製備大面積單層二硫化鎢和二硫化鉬圖片

為了能製備大面積單層二硫化鎢和二硫化鉬結構,有研究人員採用分步氣相法。該方法能在100平方釐米的襯底上製備出均勻的單層二硫化鎢和二硫化鉬,其操作內容如下:

先用化學氣相沉積、濺射法或熱蒸發等方法在尺寸為1平方釐米到100平方釐米的矽、二氧化矽、碳化矽、三氧化二鋁或二氧化鈦等襯底上沉積厚度為2納米到50納米金屬鎢或鉬的氧化物薄膜,或者鉬與鎢的混合氧化物薄膜,沉積溫度為100℃到500℃,沉積時間為10分鐘到24小時;再將沉積有氧化物薄膜的襯底在惰性氣體或氫氣氣氛下與單質硫進行高溫反應,反應溫度為550℃到1100℃,反應氣壓為1毫巴到1巴,反應時間為30秒到10分鐘,自然冷卻後得到大面積單層二硫化鎢或二硫化鉬結構。

採用分步氣相方法製備,具有反應簡單,可控性好,能在100平方釐米的襯底上製備出均一、穩定的單層二硫化鎢和二硫化鉬。

 

 

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