一种原子层沉积二硫化钼薄膜的方法与流程

本发明涉及原子层沉积技术领域，具体涉及一种二硫化钼薄膜的制备方法。

背景技术：

近年来，作为一种层状过渡金属硫化物的二硫化钼(mos2)，由于具有优异的机械、电学、光学和催化性能而引起了广泛的关注，其在加氢脱硫催化、光伏电池、光催化、纳米摩擦、锂电池和干润滑等领域引起了一股研究热潮。二硫化钼常见的结构形式有三种：1t形、2h形、3r形。天然的2h-mos2晶体是典型的层状结构，分子层之间的距离为1.23nm，每一个分子层的厚度为0.625nm。每一个二硫化钼分子层又分为3个原子层，中间一层为钼原子，上下两层为硫原子，每一个钼原子被6个硫原子所包围。在分子层内部，硫和钼原子以稳定的化学键相结合，分子层之间以很弱的范德华力相结合。当受到剪切力时，层与层之间极易形成滑移面，该滑移可以有效降低摩擦系数，减少材料的磨损。二硫化钼是一种性能依赖层数的半导体材料，当层数由多层变为单层时，其从1.2ev的间接带隙半导体变为1.9ev的直接带隙半导体，使发光效率大大增加，二硫化钼在光电子器件领域的潜在应用已经引起广泛的注意。

通常采用机械剥离的方法来制备层状二硫化钼薄膜，该方法制备的二硫化钼具有完美的晶体结构。但是，该方法制备的二硫化钼薄膜尺寸较小，而且效率非常低。由于尺寸和效率的限制，机械剥离制备二硫化钼薄膜的方法不能在集成电路制造等领域大规模应用。人工合成生长大面积、高质量的二硫化钼薄膜显得尤为迫切。基于现有的半导体工业技术，研究比较热门的人工合成二硫化钼的方法是化学气相沉积法(cvd)。该方法是通过对钼源(moo3或mocl5)和硫源(s粉)加热，使其产生相应的气体前驱体，然后通过惰性气体(ar或n2)将他们输送到衬底附近，在衬底上生成所需的二硫化钼薄膜。该方法虽然可以得到大面积、高质量的二硫化钼，但是其存在有不足的地方：(1)合成生长的温度较高，需要650℃-1000℃，这限制了在不耐高温衬底上的应用；(2)由于生长过程是连续的，使薄膜的厚度不容易精确控制；(3)对于一些高深宽比的结构，如孔和沟槽，cvd方法无法沉积均匀的薄膜，材料会沉积在开放的边缘处。

原子层沉积工艺(ald)依靠前驱体在基底样品表面的自限制化学反应沉积薄膜。通过交替通入前驱体脉冲，原子层沉积可以在高深宽比的结构上均匀沉积薄膜，而且薄膜的厚度可以通过控制循环次数来精确控制。由于沉积温度较低，对基底的耐高温性没有要求，该方法可以被广泛地应用。

技术实现要素：

技术问题：本发明的目的在于提供一种二硫化钼薄膜的制备方法，通过原子层沉积法制备的二硫化钼薄膜材料，具有大面积、厚度可控、质量均匀等优点，该方法操作简单，适合自动化、大规模生产。

技术方案：本发明的一种原子层沉积二硫化钼薄膜的方法法包括以下步骤：

步骤一.将钼源装入源瓶，加热到第一预设温度并保持到第一预设时间，将置有基底样品的反应腔加热到第二预设温度并保持到第二预设时间；

步骤二.利用载气将钼源送入反应腔，从开始送入到送入结束的时间保持在第三预设时间，使钼源与基底样品表面发生自限制化学吸附，钼源蒸气送入结束后，继续通入载气并保持到第四预设时间，将反应副产物和残余的钼源冲洗干净；

步骤三.利用载气将硫化氢送入反应腔，从开始送入到送入结束的时间保持在第五预设时间，使硫化氢与钼源发生自限制化学反应，在基底样品上生成二硫化钼薄膜，硫化氢吹入结束后，继续通入载气并保持到第六预设时间，将反应副产物和残余硫化氢冲洗掉。

其中：

所述第一预设温度是50～250℃；所述第二预设温度是200～500℃。

所述第一预设时间是1～120min。

所述第二预设时间是1～120min。

所述第三预设时间是0.1～300s。

所述第四预设时间是1～500s。

所述第五预设时间是0.1～300s。

所述第六预设时间是1～500s。

所述钼源是五氯化钼或六羰基钼，所述基底样品为金属、蓝宝石、碳化硅、氮化硅、硅、云母、石英或氧化硅。

所述载气是氮气或氩气，载气流量是10～500ml/min。

在该制备方法中包含了两个自限制化学反应，他们构成一个完整的循环，通过控制该循环数目，可以精确的控制所生长二硫化钼薄膜的厚度。

有益效果：采用本发明所述方法，生长的二硫化钼薄膜具有质量均匀，表面平整，厚度可以精确控制等优点。

本发明制备方法易操作，所生长的薄膜质量均匀，重复性好，对于复杂结构的衬底都可以生长，适合用来大规模制备生产二硫化钼薄膜。

附图说明

图1为本发明利用原子层沉积设备制备二硫化钼薄膜的示意图。图1中相关标注名称如下：1.真空泵；2.反应腔体；3.腔体加热丝；4.待沉积基底样品；5.v2气动阀；6.h2s源瓶；7.mocl5源瓶加热丝；8.mocl5源瓶；9.v1气动阀；10.防倒吸瓶；11.naoh溶液；12.cuso4溶液。

图2为本发明方法制备得到的二硫化钼薄膜的sem图，从照片中可以看出所生长的二硫化钼薄膜表面平整、均匀。

图3为本发明方法制备得到的二硫化钼薄膜的拉曼光谱图，从图中可以明显看到二硫化钼薄膜的两个特征峰383cm^-1和408cm^-1。

图4为本发明方法制备得到的二硫化钼薄膜的tem图，从照片中可以明显看到二硫化钼的层状结构。

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施例，所述实施例的示例在附图中示出，所述实施例是对本发明的进一步说明，而不是限制本发明的范围。

根据本发明实施例的二硫化钼薄膜的制备方法，如图1所示，可以包括以下步骤：

步骤s1.通过mocl5源瓶加热丝7，将mocl5源瓶8加热到50℃～250℃并保持1～120min，通过腔体加热丝3，将放置有待沉积基底样品4的反应腔体2加热到200～500℃并保持1～120min；

步骤s2.打开v1气动阀9，载气n2将mocl5送入反应腔体2，mocl5通过化学吸附沉积在待沉积基底样品4表面，关闭v1气动阀9，v1气动阀9从开启到关闭的时间为0.1～300s，继续通入载气n2并保持1～500s，将反应腔体2内残余的mocl5和反应副产物冲洗干净；

步骤s3.打开v2气动阀5，载气n2将h2s送入反应腔体2，h2s通过化学吸附沉积在mocl5表面并与之反应生成mos2，关闭v2气动阀5，v2气动阀5从开启到关闭的时间为0.1～300s，继续通入载气n2并保持1～500s，将反应腔体2内残余的h2s和反应副产物冲洗干净。

步骤s2和s3包含了两个自限制化学反应，他们构成一个完整的循环，通过控制该循环数目，可以精确地控制所生长mos2薄膜的厚度，得到质量均匀，表面平整的mos2薄膜。

防倒吸瓶10，naoh溶液11和cuso4溶液12用于清洗残余的h2s。

技术特征：

技术总结
本发明涉及一种原子层沉积二硫化钼薄膜的方法，包括以下步骤：将钼源装入源瓶并加热，加热放置有基底样品的反应腔；利用载气将钼源吹入反应腔，使钼源与基底样品表面发生自限制化学吸附，钼源吹入结束后，继续通入载气，将反应副产物和残余的钼源冲洗掉；利用载气将硫化氢吹入反应腔，使硫化氢与钼源发生自限制化学反应，在基底样品表面生成二硫化钼薄膜，硫化氢吹入结束后，继续通入载气将反应副产物和残余硫化氢冲洗掉。本发明制备的二硫化钼薄膜质量均匀、表面平整、厚度可以精确控制。

技术研发人员：刘磊;黄亚洲;吕俊;杨俊杰;陈云飞;倪中华
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：2017.06.26
技术公布日：2017.11.10