一种可控生长少层堆叠MoS2的方法

本发明涉及化学气象沉积法实现二维材料堆叠生长，具体涉及一种可控生长少层堆叠mos2的方法。

背景技术：

1、石墨烯的发现为半导体领域的发展提供了新的思路，石墨烯以优异的物理化学性能和良好的机械性能引发了二维材料在微纳米器件领域的广泛研究。然而，本征态的石墨烯是以零带隙的形式出现，这就导致无法由传统的电流驱动实现晶体管的开关功能，因此需要通过复杂的带隙工程去解决材料本身的不足。二维过渡金属硫族化合物因具有可调的能带结构与电子特性使其在物理学，光学、材料科学等领域具有巨大科研价值与应用前景。目前二维过渡金属硫族化合物同质结是通过人工转移堆叠技术制备的，但是人工转移堆叠技术存在界面污染，材料结构被损坏，操做要求复杂等不足。经研究表明，化学气象沉积法是一种被期待可以大规模工业化实现量产二维材料的技术，其合成的二维材料具有晶粒尺寸大，薄膜高质量高且均匀。但是目前可控合成少层堆叠的二维材料存在很大的挑战，比如少层堆叠的二维材料在生长过程中没有较为成熟的生长参数。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是为了针对现有技术路径的不足而提供一种实现零转移、零界面污染、合成可控的二维材料mos2堆叠方法，本发明为一步法可控实现少层mos2堆叠的方法，适用于层状二维材料过渡金属硫族化合物tmd同质结的制备。

2、为解决本发明的技术问题采用如下技术方案：

3、一种可控生长少层堆叠mos2的方法，在石英制磁舟ⅰ盛有moo3粉体，将硅片衬底的氧化层面朝上放置在石英制磁舟ⅰ上，在石英制磁舟ⅱ盛有s粉， cvd系统中管式炉的石英管被分别控制加温，形成上游低温区和下游高温区，其中下游高温区放置石英制磁舟ⅰ，上游低温区放置石英制磁舟ⅱ；在cvd系统中石英管内通入惰性保护气体ar排出空气后管式炉加热在衬底上得到生长少层堆叠mos2，其中下游高温区以37.5-39℃/min的升温速率加热至750-780℃后并保持5-10min，上游高低温以13-15℃/min的升温速率加热至260-300℃后并保持5-10min。

4、所述moo3粉体为1.0-2.0mg，纯度为99.99%，位于石英制磁舟ⅰ底部中心区域，所述s粉为500-600mg，纯度为99.99%，均匀分布在石英制磁舟ⅱ内。

5、所述石英制磁舟ⅰ和石英制磁舟ⅱ的中心距离d2为280-290mm。

6、所述cvd系统加热生长少层堆叠mos2前石英管内先通入50-100 sccm ar保持5-10min排出空气后，然后调节至30sccm在衬底上得到生长少层堆叠mos2。

7、所述石英制磁舟ⅰ和石英制磁舟ⅱ均为长100-120mm、直径10-12mm的中空半圆柱型器皿。

8、所述硅片衬底为15mm◊20mm的si/sio2衬底，氧化面朝上放置在石英制磁舟ⅰ上，硅片衬底上游端距离moo3放置的中心位置水平距离d1为2-10 mm。

9、本发明提供了一种可控生长少层堆叠mos2的方法，采用传统的常压化学气象沉积法，在一套管式炉的石英管被分别控制加温，形成上游低温区和下游高温区的cvd系统中，在保护气体ar作为载气的条件下，加热蒸发两种前驱体，并在载气的气流输运下，在硅片衬底的上方发生化学反应，生成mos2分子沉积在衬底上。通过调控衬底与两种前驱体的距离、以及反应过程中下游高温区和上游低温区的升温曲线，利用moo3前驱体的蒸发的浓度随时间的变化关系，在反应开始时过饱和的s蒸汽会先充满反应装置，造成高s低mo的反应环境，首先生长第一层，合成mos2三角形单晶；随着moo3前驱体开始大量蒸发，s前躯体的前期消耗，营造高mo低s的生长环境，逆转了反应条件，由水平生长方式转变为垂直生长方式，再转变为水平生长方式，实现二维材料在自身界面的二次形核及生长，达到可控实现少层mos2堆叠生长。形成的mos2晶体为正三角形，底层单晶的尺寸为30-60μm，第二层单晶的尺寸为20-40μm，第三层单晶的尺寸为8-12μm。本发明避免了转移法堆叠二维材料过程中的界面污染，成功率低，操作难度大，转移过程中对原子界面的损伤，在大规模制备二维半导体器件领域有深远意义。

技术特征：

1.一种可控生长少层堆叠mos2的方法，其特征在于：在石英制磁舟ⅰ盛有moo3粉体，将硅片衬底的氧化层面朝上放置在石英制磁舟ⅰ上，在石英制磁舟ⅱ盛有s粉， cvd系统中管式炉的石英管被分别控制加温，形成上游低温区和下游高温区，其中下游高温区放置石英制磁舟ⅰ，上游低温区放置石英制磁舟ⅱ；在cvd系统中石英管内通入惰性保护气体ar排出空气后管式炉加热在衬底上得到生长少层堆叠mos2，其中下游高温区以37.5-39℃/min的升温速率加热至750-780℃后并保持5-10min，上游高低温以13-15℃/min的升温速率加热至260-300℃后并保持5-10min。

2.根据权利要求1所述的一种可控生长少层堆叠mos2的方法，其特征在于：所述moo3粉体为1.0-2.0mg，纯度为99.99%，位于石英制磁舟ⅰ底部中心区域，所述s粉为500-600mg，纯度为99.99%，均匀分布在石英制磁舟ⅱ内。

3.根据权利要求1或2所述的一种可控生长少层堆叠mos2的方法，其特征在于：所述石英制磁舟ⅰ和石英制磁舟ⅱ的中心距离d2为280-290mm。

4.根据权利要求3所述的一种可控生长少层堆叠mos2的方法，其特征在于：所述cvd系统加热生长少层堆叠mos2前石英管内先通入50-100 sccm ar保持5-10min排出空气后，然后调节至30sccm在衬底上得到生长少层堆叠mos2。

5.根据权利要求1或4所述的一种可控生长少层堆叠mos2的方法，其特征在于：所述石英制磁舟ⅰ和石英制磁舟ⅱ均为长100-120mm、直径10-12mm的中空半圆柱型器皿。

6.根据权利要求5所述的一种可控生长少层堆叠mos2的方法，其特征在于：所述硅片衬底为15mm◊20mm的si/sio2衬底，氧化面朝上放置在石英制磁舟ⅰ上，硅片衬底上游端距离moo3放置的中心位置水平距离d1为2-10 mm。

技术总结
本发明涉及化学气象沉积法实现二维材料堆叠生长技术领域，具体涉及一种可控生长少层堆叠MoS<subgt;2</subgt;的方法，适用于层状二维材料过渡金属硫族化合物(TMDCs)同质结的制备。该实验方法采用传统的常压化学气象沉积法，上游低温区和下游高温区的CVD系统中，在保护气体Ar作为载气的条件下，通过调控衬底与两种前驱体的距离、以及反应过程中下游高温区管式炉和上游低温区硫粉预热器的升温曲线，成功实现了堆叠的状的MoS<subgt;2</subgt;二维结构。该实验方法避免了转移法堆叠二维材料过程中的界面污染，成功率低，操作难度大，转移过程中对原子界面的损伤，在大规模制备二维半导体同质结、研究层间强耦合作用和探索全新的二维层间激子方面有深远的物理意义。

技术研发人员：张俊丽,王开开,傅杰财,延剑锋
受保护的技术使用者：兰州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13