[发明专利]一种二维硫化钨薄膜材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种二维硫化钨薄膜材料的制备方法，属于半导体薄膜材料制备领域。

背景技术

目前，二维过渡金属硫族化合物的制备，主要集中在以下几个方面：

(1)片层/尺寸可控制备，改善边缘结构。(2)提高产率。(3)提高结晶性(质量)。

目前，针对过渡金属硫族化合物的制备，采用化学气相沉积法进行合成，以二硫化钼为例，主要包括以下几种路线：(1)以1～5nm的Mo片层与S单质在500～1100℃下进行硫化反应。(2)通过S与MoO₃在管式炉中热蒸发反应，获得多层的MoS₂。(3)以Mo(CO)₆和H₂S作为原料，采用CVD方法生长MoS₂。其中原料Mo(CO)₆和H₂S没有在管式炉中，而是在管式炉外面，通过蒸发器实现加入。(4)先将1nm的Mo金属原子层沉积在衬底上，然后通入H₂S。通过氩气的等离子体使硫化氢气体离解。之后钼原子被离解的硫化氢气体硫化，形成硫化钼薄膜。

但是针对二硫化钨薄膜的制备，由于制备温度比二硫化钼更高，制备窗口更窄，相关研究远少于二硫化钼。针对二硫化钨的制备，主要集中在以下几个方面：(1)采用WO_2.9与硫单质，以SiO₂/Si为基底，在825℃下制备WS₂。(2)以WCl₆与硫单质，在900℃下制备WS₂。(3)以WO₃与硫粉在860～1070℃条件下制备WS₂。目前未发现采用PECVD法制备二硫化钨的研究。采用以上方法，制备温度较高，仍存在一定的缺陷。因此，创新型地提出了以下制备方法：

PECVD法即等离子体增强化学气相沉积法，其中产生的等离子体温度不高，但其内部却处于受激发的状态，其电子能量足以使分子键断裂，并导致具有化学活性的物质(活化分子、原子、离子、原子团等)产生，使本来需要在高温下才能进行的化学反应，当处于等离子体场中时，由于反应气体的电激活作用而大大降低了反应温度，从而在较低的温度下甚至在常温下就能在基片上形成固态薄膜。该方法具有以下优势：(1)在较低的温度下甚至在常温下就能在基片上形成固态薄膜。(2)操作方法灵活，工艺重复性好。(3)可以在不同复杂形状的基板上沉积各种薄膜。(4)可以通过改变沉积参数的方法制备不同应力状态的薄膜以满足不同的需要。

本发明采用易挥发，低熔点的Mo(CO)₆，蒸发后作为钼源，硫单质蒸发后作为硫源，在等离子体气氛内，低温制备二维材料。该方法降低了二维硫化钨的制备温度，简化了PECVD的制备步骤，可以实现在软基底制备，无需转移，避免了结构缺陷的产生。同时采取低压的手段，减少了杂质的含量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种二维硫化钨薄膜材料的制备方法，首先将硫粉置于前一温区，将六羰基钨置于后一温区，排除空气。将SiO₂/Si衬底清洗干净，置于六羰基钨上方。然后，将双温区升温，通过氩等离子体促进硫蒸汽与六羰基钼蒸汽进行反应，并沉积到衬底表面，就得到二维硫化钨薄膜材料。

本发明是通过下述技术方案加以实现的：

一种二维硫化钨薄膜材料的制备方法，其特征在于包括以下过程：

(1)采用双温场滑轨等离子体PECVD系统，将管式炉充满氩气；将SiO₂/Si基板置于放有六羰基钨粉末的容器上方，将放有硫粉的容器置于管式炉的第一个加热炉中心；再将放有六羰基钨的容器放于管式炉的第二个加热炉中心；通入氩气；

(2)在氩气气氛下，将管式炉内压强调至133.29Pa，设置等离子体发生装置中等离子体发生器的功率，将第一加热区升温至硫粉的挥发温度，第二加热区升温至六羰基钨的挥发温度；两温区都升温完毕后，改通氩气与氢气的混合气；使二硫化钨沉积在基底，然后降至室温，就得到二维WS₂薄膜材料。

优选硫粉的挥发温度160℃

优选六羰基钨的挥发温度200℃

优选SiO₂/Si基板长不大于1cm，宽不大于1cm，厚0.5mm。

优选放有三羰基钨粉末的容器为船型瓷舟。

优选船型瓷舟长6cm，宽3cm，深1cm。

优选三羰基钨与硫粉的质量比为1～3:100。