一种基于复合衬底的过渡金属硫族化合物制备转移方法

本发明属于二维材料制备及转移，尤其涉及一种基于复合衬底的过渡金属硫族化合物制备转移方法。

背景技术：

1、二维过渡金属硫族化合物(tmds)作为一种新兴的二维材料，具有独特的电化学性能及机械性能，使其在光电器件、场效应晶体管、柔性传感器等方向具有很大的应用前景。自2004年石墨烯被首次剥离得到，二维材料的制备研究开始受到人们的广泛关注。迄今为止，tmds的制备方法可以分为自下而上和自上而下两类。其中，自下而上的制备方法包括：化学气相沉积(cvd)、脉冲激光沉积、激光减薄法等。自上而下的制备方法包括：热分解法、液相剥离法、机械剥离法等。作为一种自下而上的方法，cvd法是目前应用最广泛的tmds薄膜制备方法，但苛刻的生长条件(如较高的生长温度、反应过程需要硫源以及氢气)以及较低的产量限制了cvd法的发展。

2、相比于cvd法，自上而下的热分解法可在4英寸及以上的sio2/si基底上生长连续、均匀且厚度可控的tmds薄膜。热分解法制备tmds薄膜时，通常需要高温退火进一步提高tmds薄膜质量，增大了tmds薄膜的制备成本及时间。此外，从tmds薄膜制备到器件应用，转移是不可缺少的一步，常见的转移方法包括：湿法转移、水辅助分层法、双支撑层转移法、水溶性聚合物介质转移法以及干转移法等。目前，tmds的转移通常是通过基于聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)的湿法转移，如申请公布号为cn111874896a公开了一种精准转移二维材料的方法及其应用，包括以下步骤：在衬底上获取二维材料，旋涂pmma形成pmma膜，使二维材料附着在pmma膜下方；将pmma膜与衬底分离，利用透明载体粘附pmma膜；将附着有pmma膜的透明载体倒贴在位移台的机械臂上，将其转移至目标衬底的目标位置；依次去除透明载体、pmma膜，即可实现二维材料的精准转移。上述方式中，将pmma膜与衬底分离主要是通过碱溶液刻蚀来实现。然而，由热分解法制备的未经高温退火的tmds薄膜在碱溶液刻蚀过程中容易受到强碱腐蚀，从而影响转移后的tmds薄膜质量。

技术实现思路

1、本发明提供了一种基于复合衬底的过渡金属硫族化合物制备转移方法，以解决现有tmds薄膜制备及转移过程中存在的无法大规模制备均匀连续的tmds薄膜、tmds薄膜与基底分离时容易受到强碱腐蚀而影响tmds薄膜质量等问题。

2、为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：

3、本发明涉及一种基于复合衬底的过渡金属硫族化合物制备转移方法，其包括以下步骤：

4、(1)在初始基底上沉积得到一层均匀的金属层，形成复合基底；

5、(2)使用热分解法在复合基底上生长二维过渡金属硫族化合物；

6、(3)在二维过渡金属硫族化合物上表面旋涂聚甲基丙烯酸甲酯；

7、(4)使用氯化铁溶液刻蚀金属层，使二维过渡金属硫族化合物与初始基底分离，并将二维过渡金属硫族化合物转移到目标基底上；

8、(5)使用丙酮去除聚甲基丙烯酸甲酯。

9、优选地，所述步骤(1)中的初始基底为si、sio2/si、al2o3中的一种。

10、优选地，所述步骤(1)中采用磁控溅射法沉积金属层，所用的金属为铜、镍、钴、锌和银中的一种，金属层厚度为50～100nm。

11、优选地，所述步骤(2)中热分解法步骤包括：

12、(2.1)将四硫代钨酸铵或四硫代钼酸铵溶解于n,n-二甲基甲酰胺和乙醇胺的混合溶液中，形成前驱体溶液；

13、(2.2)将前驱体溶液进行过滤，并抽真空去除溶液气泡；

14、(2.3)将前驱体溶液旋涂在复合基底的上表面；

15、(2.4)将其放至于真空管式炉中，抽真空1～2h，随后在氩气的氛围下进行加热分解，进而在复合基底上生长二维过渡金属硫族化合物。

16、优选地，所述步骤(2.1)中对前驱体溶液超声1h。

17、优选地，所述步骤(2.4)中，加热分解的温度为700℃，时长不少于30min。

18、优选地，所述步骤(2)中二维过渡金属硫族化合物为ws2、mos2或ws2/mos2合金。

19、优选地，所述步骤(4)中氯化铁溶液溶度为1～2mol/l。

20、优选地，所述步骤(5)中目标基底为硅片、蓝宝石、氮化硅、氮化铝、陶瓷或氮化铝，亦或者为高分子聚合物。

21、优选地，所述的高分子聚合物为聚二甲基硅氧烷、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二醇酯。

22、采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

23、1.本发明涉及的基于复合衬底的过渡金属硫族化合物制备转移方法在初始基底上沉积一层均匀的金属层，形成复合基底，采用热分解法在复合基底上生长二维过渡金属硫族化合物，金属层具有良好的亲水性与热稳定性，有利于热分解法的旋涂及高温分解，提高tmds薄膜的质量，制备出均匀连续的tmds薄膜。

24、2.本发明涉及的基于复合衬底的过渡金属硫族化合物制备转移方法在转移过程中，采用氯化铁溶液刻蚀金属层，进而使得二维过渡金属硫族化合物与初始基底分离，与传统tmds薄膜制备及转移方法中采用碱溶液刻蚀相比，避免了tmds薄膜受强碱腐蚀影响，刻蚀过程清洁、刻蚀速率快、刻蚀质量高。

技术特征：

1.一种基于复合衬底的过渡金属硫族化合物制备转移方法，其特征在于：其包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于复合衬底的过渡金属硫族化合物制备转移方法，其特征在于：所述步骤(1)中的初始基底为si、sio2/si、al2o3中的一种。

3.根据权利要求1所述的基于复合衬底的过渡金属硫族化合物制备转移方法，其特征在于：所述步骤(1)中采用磁控溅射法沉积金属层，所用的金属为铜、镍、钴、锌和银中的一种，金属层厚度为50～100nm。

4.根据权利要求1所述的基于复合衬底的过渡金属硫族化合物制备转移方法，其特征在于：所述步骤(2)中热分解法步骤包括：

5.根据权利要求4所述的基于复合衬底的过渡金属硫族化合物制备转移方法，其特征在于：所述步骤(2.1)中对前驱体溶液超声1h。

6.根据权利要求2所述的基于复合衬底的过渡金属硫族化合物制备转移方法，其特征在于：所述步骤(2.4)中，加热分解的温度为700℃，时长不少于30min。

7.根据权利要求1所述的基于复合衬底的过渡金属硫族化合物制备转移方法，其特征在于：所述步骤(2)中二维过渡金属硫族化合物为ws2、mos2或ws2/mos2合金。

8.根据权利要求1所述的基于复合衬底的过渡金属硫族化合物制备转移方法，其特征在于：所述步骤(4)中氯化铁溶液溶度为1～2mol/l。

9.根据权利要求1所述的基于复合衬底的过渡金属硫族化合物制备转移方法，其特征在于：所述步骤(5)中目标基底为硅片、蓝宝石、氮化硅、氮化铝、陶瓷或氮化铝，亦或者为高分子聚合物。

10.根据权利要求9所述的基于复合衬底的过渡金属硫族化合物制备转移方法，其特征在于：所述的高分子聚合物为聚二甲基硅氧烷、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二醇酯。

技术总结
本发明涉及一种基于复合衬底的过渡金属硫族化合物制备转移方法，属于二维材料制备及转移技术领域，该方法首先在初始基底上沉积得到一层均匀的金属层，形成复合基底；然后使用热分解法在复合基底上生长二维过渡金属硫族化合物；然后在二维过渡金属硫族化合物上表面旋涂聚甲基丙烯酸甲酯；然后使用氯化铁溶液刻蚀金属层，使二维过渡金属硫族化合物与初始基底分离，并将二维过渡金属硫族化合物转移到目标基底上；最后使用丙酮去除聚甲基丙烯酸甲酯。该方法在初始基底上沉积金属层，金属层具有良好的亲水性与热稳定性，有利于热分解法的旋涂及高温分解；后续采用氯化铁溶液刻蚀金属层，不再使用碱溶液进行刻蚀，避免了TMDs薄膜受强碱腐蚀影响。

技术研发人员：杨伟煌,宋佳豪,董林玺,王高峰,周昌杰
受保护的技术使用者：杭州电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12