[发明专利]一种高质量二维原子层薄膜的制备方法

说明书

本发明提供一种高质量二维原子层薄膜的制备方法，将经过预处理的蓝宝石基片置于反应器内，通入二维原子层薄膜生长所需对应的原料蒸汽，在蓝宝石基片表面得到二维原子层薄膜；在上述产物表面上附着有机胶体，以一定角度浸入如去离子水中，使二维原子层薄膜与蓝宝石基片分离得到有机胶体/二维原子层薄膜结合体；再用目标基片将上述步骤产物取出，烘干，得到有机胶体/二维原子层薄膜/目标基片结合体；最后，用有机溶剂除去有机胶体，取出，自然干燥，得到位于目标基片上的二维原子层薄膜。本方法操作步骤简单，所得产品面积大，晶体质量高，原料成本低，主要用于半导体、太阳能电池、液晶平板显示等领域。

技术领域

本发明涉及一种原子层薄膜的制备方法，特别是涉及一种高质量二维原子层薄膜的制备方法。

背景技术

英国曼彻斯特大学物理学家Geim、Novoselov 2004年发现、2010年获诺贝尔物理学奖的石墨烯，是第一个严格意义上的二维晶体材料。石墨烯超高的载流子迁移率使其在射频和高速电子器件方面展现出巨大的应用前景；然而，石墨烯的禁带宽度为零，难以满足逻辑器件对高开关比的要求。二维层状过渡金属二硫属化合物MX2体系(M＝Mo，W，Pt等过渡金属；X＝S，Se，Te等硫族元素)，因其具有与石墨烯类似的二维层状晶体结构尤其是丰富的能带结构(涵盖半导体、半金属、金属、超导)，展现出丰富的力学，电学，光学，热学和化学性质，从而成为新型二维晶体的研究前沿与热点。

实现其诸多优异性质应用的前提是实现这些材料的大面积、高质量制备。考虑到材料晶体质量、缺陷等因素，单晶薄膜形式的二维晶体材料在电子器件、光电子器件等领域受到了越来越广泛的关注。当前这些二维原子层薄膜主要采用化学气相沉积法，在二氧化硅、蓝宝石基片上实现二维薄膜的生长。二维原子层薄膜生长基片的选择对二维原子层薄膜晶体质量的影响非常显著。瑞士洛桑理工的研究者发现，当采用二氧化硅作为生长基片时，由于非晶相的二氧化硅难以与化学气相沉积的二维原子层薄膜发生有序的作用力，使所获得的二维原子层薄膜无序的沉积在二氧化硅基片上。相对而言，当采用蓝宝石基片作为生长基片时，由于蓝宝石基片六方晶型的结构，与二维原子层薄膜具有类似的晶格结构，从而诱导使得沉积的二维原子层薄膜沿着基片蓝宝石的晶格择优取向排列，实现了在蓝宝石基片上的外延生长。进一步研究发现，这种外延生长的二维原子层薄膜，如二硫化钼薄膜，其性能远高于生长在无序的二氧化硅基片上的二硫化钼薄膜。因此目前业界倾向于在蓝宝石基片上制备二维原子层薄膜。

然而随着进一步的研究发现，受蓝宝石基片表面氧端面的影响，在蓝宝石上生长的二维原子层薄膜往往难以剥离转移下来，大大的限制了二维原子层薄膜的应用领域。为了克服这一难点，当前各国学者提出了诸多方法，主要有如下两种：1)采用热碱(如2mol/L浓度的KOH，80度)刻蚀蓝宝石基片；2)采用氢氟酸、BOE(氢氟酸与氨水组成的缓冲液)刻蚀二维原子层薄膜与蓝宝石基片之间的化学键。这种强酸或强碱的条件，使二维原子层薄膜一定程度上被刻蚀、污染，严重影响了二维原子层薄膜的性能。除此之外，被强酸或强碱处理后的蓝宝石基片表面已被刻蚀，变得粗糙，难以循环使用。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺点，提供一种操作简单，易于控制，成本低，所得产品面积大、质量高的二维原子层薄膜的制备方法。

本发明高质量二维原子层薄膜的制备方法其步骤如下：

1)将蓝宝石基片置于氢气气氛中热处理1～5小时得到经过预处理的蓝宝石基片，其中氢气的压强在100帕斯卡～1个大气压范围内，氢气的流量在20～500sccm范围内，热处理的温度为500～1000℃范围内；

2)将步骤1)所得产物置于反应器内，通入二维原子层薄膜生长对应的生长原料蒸汽，在蓝宝石基片表面得到二维原子层薄膜，所述二维原子层薄膜符合MX2化学式，其中M为钼、钨、铂、钯金属中的一种，X为硫、硒、碲中的一种；

3)在步骤2)所得产物上附着有机胶体，得到有机胶体/二维原子层薄膜/蓝宝石基片结合体；