[发明专利]铈掺杂的单分子层二硫化钨薄膜及其制备方法

说明书

本发明涉及一种铈掺杂的单分子层二硫化钨薄膜及其制备方法，利用单温区CVD系统，将草酸铈和WO_2.9置于石英舟内且掺入氯化钠形成混合物，置于加热炉膛一侧边缘，将放有硫粉的石英舟置于加热炉膛外侧；关闭石英管并抽真空，载气为高纯氩气；温区将温度上升到1050~1200摄氏度并保温，在此期间不断地移动加热炉膛；以每分钟50摄氏度的降温速率退火且降至1040摄氏度并保温5~10分钟；然后自然降温，得到铈掺杂的单分子层二硫化钨薄膜。通过对实验过程相关的各类参数的控制，制备出晶体质量好、均匀的铈掺杂的单分子层二硫化钨薄膜。

技术领域

本发明涉及层状二维纳米材料的制备，具体而言，涉及一种铈掺杂的单分子层二硫化钨薄膜及其制备方法。

背景技术

通过层间范德瓦尔斯力结合的层状过渡金属硫族化合物二硫化钨具有合适的带隙，而且这类材料随层数的变化会发生间接带隙到直接带隙的转变，即其可以实现带隙的调节，因而可用于光电器件及集成电路，但固有的带隙限制了其光电应用范围，同时其单分子层薄膜对于光的吸收比较差，不利于制作光电探测器等光电器件。对于传统半导体可掺杂各种离子或原子，由于杂质种类或者掺杂多少的不同，从而可以对传统半导体的带隙进行调控，以至于对其半导体特性进行控制。同样如此，通过对层状过渡金属硫族化合物二硫化钨进行铈掺杂，也可以实现对其的半导体特性的调控，有利于其作为发光器件和光电器件的应用。

现有技术中，金属掺杂过渡金属硫族化合物薄膜的方法及相关方法缺陷如下：1、硫化磁控溅射所得的合金薄膜，获取金属掺杂的过渡金属硫族化合物薄膜，这个方法获取的薄膜结晶性差，一般为多分子层结构，层数不可控。对于WS₂薄膜而言，单分子层结构为直接带隙半导体，而多分子层结构为简介带隙半导体，单分子层WS₂薄膜的发光效率为多分子层WS₂薄膜的10倍以上，因此该方法制备的多分子层结构使其很难在发光器件和光电器件方面应用；2、将掺杂的金属元素以离子形式注入到晶体表面存在的缺陷中，实现金属掺杂过渡金属硫族化合物薄膜，这个方法对设备要求极高，成本也是相当巨大，且获得的WS₂薄膜缺陷较多，发光效率低。

发明内容

本发明的目的是提供一种晶体质量好、均匀的铈掺杂的单分子层二硫化钨薄膜及其制备方法。

为解决以上技术问题，根据本发明的一个方面，提供一种铈掺杂的单分子层二硫化钨薄膜的制备方法，利用滑轨式单温区管式炉，以草酸铈作为掺杂剂对二硫化钨薄膜进行掺杂，包括以下步骤：

步骤一，用乙醇及去离子水对衬底进行清洗并干燥；

步骤二，使用滑轨式单温区管式炉，固定WO_2.9并按照质量比1：（8~12）将草酸铈和WO_2.9置于石英舟1（参见图1）内且掺入氯化钠形成混合物，把衬底放置在石英舟1上，且SiO₂面与混合物相对；

步骤三，将石英舟1推进石英管内，并且置于加热炉膛一侧边缘，将放有硫粉的石英舟2（参见图1）置于加热炉膛外侧，且石英舟1与石英舟2的距离为加热炉膛尺寸的一半；

步骤四，关闭石英管并抽真空5~10分钟，载气为高纯氩气；高纯氩气洗气后设置流速为80~120sccm；

步骤五，温区以每分钟35~40摄氏度的速率将温度上升到1050~1200摄氏度并保温，在此期间不断地移动加热炉膛，直至加热炉膛边缘贴近石英舟2边缘且此时温度达到1050~1200摄氏度；

步骤六，以每分钟50摄氏度的降温速率退火且降至1040摄氏度并保温5~10分钟；然后自然降温，得到铈掺杂的单分子层二硫化钨薄膜。

进一步地，步骤一中所述的衬底选自SiO₂/Si、蓝宝石、云母中的一种。