[发明专利]一种碱辅助化学气相沉积生长大面积单层二硫化钨的制备方法

说明书

本发明公开一种碱辅助化学气相沉积生长大面积单层二硫化钨的制备方法，属于纳米材料领域。本方法采用在化学气相沉积法生长过程中，通过碱作为促进剂，辅助生长单层二硫化钨。其中氧化钨源与碱的质量比为8:1‑2:1。本发明利用碱辅助生长二硫化钨，可以有效地降低生长温度，在常压下，实现快速生长和制备大面积单层二硫化钨样品，且制备的二硫化钨具有高的光致发光强度。该实验方法工艺简单，重复性好，对环境友好，且原料成本低，适合大规模生产。

技术领域

本发明属于纳米材料领域，具体而言，涉及一种二硫化钨单层薄膜材料及其制备方法。

背景技术

2004年石墨烯的成功制备，打开了二维材料的新纪元。对于二维材料，其只有几个原子的厚度，使得电子被限制在二维尺度范围内，其电子特性增强。因此，以二维材料为沟道材料使用，使器件的电学性质增强，具有比传统材料更好的开关比，响应度及载流子迁移率等特性。二硫化钨是一种重要的二维材料，其带隙随着层数的减少而增大(1.3-2.0eV)，多层时为间接带隙半导体，而单层的二硫化钨则转变为一种直接带隙半导体材料，光电转换效率显著提升。因此，单层二硫化钨在非线性光学器件，发光二极管，超灵敏光电探测器和场效应晶体管等电子、光电器件等领域中具有很大的应用前景。

目前制备单层二硫化钨的方法主要包括机械剥离法，水热合成法、化学气相沉积法(CVD)等。但相较于剥离法与水热法的样品尺寸、层数不可控的缺点，化学气相沉积法可以实现大面积单层的制备，并且重复性好，有望实现产业化生产。虽然有研究报道了二硫化钨的CVD法制备，但是，在较低温度下合成高质量的具有较大样品尺寸的单层二硫化钨是非常具有挑战性的，这极大地限制了它们在实际上的应用。

发明内容

针对当前，剥离法与水热法制备的样品形貌、层数不可控，且时间成本高，以及化学气相沉积法在硅/二氧化硅衬底上生长二硫化钨普遍生长温度较高的问题，本发明提供一种碱辅助化学气相沉积生长大面积单层二硫化钨的制备方法，制备大面积高结晶质量的二硫化钨薄膜。本工艺方法简单，原料成本低。

为解决上述问题，本发明采取的技术方案为：

一种碱辅助化学气相沉积生长大面积单层二硫化钨的制备方法，其特征在于，碱作为促进剂，加入到钨源中，使生长温度降低至700-800℃，从而实现较低温度下的大面积单层二硫化钨的制备。

具体包括以下步骤：

(1)对生长基片表面进行清洗；

(2)钨源前驱体的制备，将氧化钨粉末和碱按照一定质量比例混合，并使用研钵进行机械研磨；

(3)将氧化钨粉末与碱混合制成的钨源转移至坩埚中，将生长基片放置于钨源上方，基片与坩埚口平行且有间隙，且抛光面朝下用于在其上生长二硫化钨，然后将坩埚放置于管式炉的中心温区；接着称取过量的高纯硫粉，置于另一坩埚中，并将坩埚放置于载气流上游相对较低的低温区，载气从管式炉一端进入，另一端排出；

(4)化学气相沉积反应过程中，以惰性气体作为载气，管式炉中心的温度按时间段设定如下：温度分为四个阶段，第一阶段是管式炉内排气阶段，第二阶段是去除前驱体源中的结合水阶段，第三阶段是二硫化钨的生长阶段，第四阶段是自然降温阶段。

其中优选，步骤(1)中所述清洗为依次用丙酮、异丙醇和去离子水进行超声清洗，超声时间15min，功率设定60W。

其中优选，步骤(2)中所述的碱包括氢氧化钾、氢氧化钠等中的一种或几种。

其中优选，步骤(2)中氧化钨粉末与碱按照质量比8:1-2:1混合研磨。

其中优选，步骤(3)中硫粉所在位置的温度范围为120-300℃，在第三阶段引入，为反应提供硫源。