[发明专利]一种二维二硫化钼薄膜的制备方法

说明书

本发明提供了一种二维二硫化钼薄膜的制备方法，属于无机材料制备技术领域。本发明的衬底的材质为蓝宝石(Al₂O₃)或铝酸镧(LaAlO₃)，蓝宝石和铝酸镧中的Al原子与S原子之间存在偶极子相互作用，使MoS₂层排列得更加整齐；相比SiO₂/Si上的MoS₂薄膜结晶质量更好，更易形成二维薄膜。此外，蓝宝石(Al₂O₃)原子更平坦，阶跃高度为0.22nm，可保证连续的二硫化钼薄膜生长。本发明通过溅射的本底真空度、工作压强、功率和溅射时间参数，及对二硫化钼薄膜进行光热退火，保证了制备的二硫化钼(MoS₂)薄膜为二维的。

技术领域

本发明属于无机材料制备技术领域，尤其涉及一种二维二硫化钼薄膜的制备方法。

背景技术

二维金属硫化物在电子和光电应用方面都有卓越的表现。与其它二维材料相比，二维金属硫化物本身有带隙且具有多种能带结构和良好的稳定性。不同种类的二维金属硫化物具有不同的用途。二维金属硫化物在未来的电子和光电领域有很大的应用潜力。

过渡金属硫化物(TMDs)是炙手可热的类石墨烯二维材料，过渡金属二硫化物的化学式为：MX₂，其中M为第IV族(Ti、Zr、Hf等)、V族(比如V、Nb或Ta)或者VI族(Mo、W等)过渡金属元素，X是硫族元素(S、Se或Te)。这些过渡金属二硫化物包含由弱耦合夹层X-M-X组成的晶体结构，其中一个M原子层在两个X层间层中的原子是六边形填充的。

MoS₂是近年来研究最多的过渡金属硫化物之一，与石墨烯相比，二硫化钼不仅有较好的光学、电学、机械等优势，并且还具有石墨烯没有的天然光学带隙。对于层状的二硫化钼(MoS₂)，钼(Mo)原子和硫(S)原子之间是由共价键连接而形成的六边形网状结构，非常稳定；而层与层通过范德华力相互作用。当体块MoS₂剥离到单层时，其带隙由1.2eV(间接带隙)增大到1.8eV(直接带隙)。与此同时，其室温下大的电流开/关比(1×10⁸)使其在光电器件领域有很大的应用潜力。层状过渡金属二硫化物二硫化钼(MoS₂)在许多领域得到了广泛的应用，如：脱硫催化剂、太阳电池、光催化剂、纳米摩擦学、锂电池和干性润滑剂等。

虽然从大块MoS₂晶体的机械剥离是获得单层MoS₂的常用方法，但由于其效率低、不能满足规模制备的需求。化学气相沉积(CVD)通过在(1)850℃至950℃条件下硫化MoO₂获得MoS₂薄膜；(2)在750℃、900℃和1050℃下硫化Mo薄膜而获得MoS₂薄膜；(3)在530℃到800℃间用Mo-和S-前驱体直接沉积在Cu表面、钝化的SiO₂或者纯净的SiO₂表面。上述三种方法说明前驱体、温度和衬底对获得MoS₂薄膜的质量都有影响。然而，CVD方法成本高且工艺复杂，难以实现规模生产。

磁控溅射技术具有成本低、工艺参数易于调控、可实现规模生产等优点。PVD是物理气相沉积技术(Physical Vapor Deposition)的简称，是指用物理的方法将靶材气化成气态分子、原子或离子，并沉积在衬底上的技术。溅射方法是常见的PVD技术之一。在离子镀膜的过程中，离子的能量强，膜层的结合力会更好，其致密性也优于其它镀膜方法。但是，磁控溅射法很少用于二维材料的生长，尤其是在二维过渡金属硫化物(TMDs)中；这是因为，磁控溅射的沉积时间、衬底温度、溅射功率和退火温度等参数很难精确控制。也就是说，目前二维层状材料目前尚没有成熟的方法进行有效的大面积制备。因此亟需在这个方面实现突破。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种二维二硫化钼薄膜的制备方法，本发明采用溅射结合光热退火得到了二维二硫化钼薄膜。