一种制备二硫化钼薄膜的方法
本发明公开了一种制造MoS2薄膜的技术方案，采用钼金属与硫粉作为反应物，在真空条件下运用双源蒸发技术，将材料沉积在指定基板上形成薄膜；通过精确调控钼源和硫源的释放速度，确保Mo原子与S原子的比例达到1比2，促使两种原子在受热基板上发生化学变化，合成MoS2分子，从而得到层数可调节的产物；该工艺通过控制电子束强度、热源温度以及生长周期，能够精确控制MoS2薄膜的层数和厚度；这种制备方式具有步骤简便、厚度可调的显著优势，可以生产出面积广阔、纯度极高的单层、双层或多层MoS2薄膜；其优点还包括反应所需温度不高、能源消耗少、生产效率高、易操作、控制精准、结果稳定，适合大规模制备，为MoS2在电学和光学领域的应用提供了稳定的材料来源。
【专利说明】一种制备二硫化钼薄膜的方法
【技术领域】
这项创新涉及新型二维纳米材料的制造技术，具体是一种制备二硫化钼薄膜的技术方案。
【背景技术】
二维材料自从被发现之后，立刻成为材料科学、物理学等相关学科领域的国际焦点和热门研究方向。其中，石墨烯作为二维材料的杰出代表，凭借其出色的物理特性以及极高的载流子迁移率，激发了科研人员广泛的研究兴趣。然而，石墨烯属于半金属范畴，并且其能带隙为零，因此基于石墨烯制作的场效应晶体管，其开关性能非常差。尽管当前存在大量针对解锁石墨烯能隙的研究工作，然而，到目前为止，研究取得的进展十分有限，这种情况阻碍了该材料在制造大规模集成晶体管及逻辑电路领域的实际运用。
近些年，大家开始关注一种叫做二硫化钼的新型二维材料。二硫化钼是种关键固体润滑材料，在高温高压环境中表现优异。它具备抗磁性，能够充当线性光电导体，还可以展示出P型或N型半导体特性，拥有整流和换能功能。此外，二硫化钼还能被用作复杂烃类脱氢反应的催化剂。MoS2结晶体为六方结构，存在3H、2H、2H# 2T这几种形态，其中2H形态的减摩性能突出，堪称工业用的减摩材料。这种物质具有明显的层状构造，每层之间的距离达到0.65纳米；在单层结构内部，原子间通过强共价键结合，而层与层之间则依靠微弱的分子间作用力维系，因此很容易分裂成厚度不足十层的薄片；由于Mo-S构成的晶面非常多，其整体表面积十分广阔。
二硫化钼固体材料属于间接带隙类型，其带隙宽度为1.2电子伏特，当这种材料的厚度逐渐变薄，尤其是减至几层分子厚时，它的物理性质会出现明显转变，单分子层二硫化钼转变为直接带隙类型，并且带隙值增大到1.8电子伏特。单分子层二硫化钼属于二维材料，不同于常规的三维硅半导体，电子在仅有0.65纳米厚度的二硫化钼单分子层中移动，便捷程度堪比数纳米厚的硅薄膜，然而当前微纳米加工工艺还无法制造出亚纳米级别的硅薄膜；此外，二硫化钼晶体管能够显著削弱短沟道现象，导致其静态能耗远小于传统硅晶体管；与无带隙的石墨烯不同，单层二硫化钼是一种直接带隙半导体，其带隙值1.8电子伏特尤为适宜；二硫化钼具备的这些特性，特别适合开发高效率的逻辑电路、开关元件以及超低能耗设备。二硫化钼薄膜展现出出色的半导体特性，然而，如何实现大面积且品质上乘的二硫化钼薄膜的稳定制备，至今仍是一个亟待攻克的难题。
当前，钼二硫化物薄膜的制造途径，大致可以分成两种：“由外向内”和“由内向外”。采用“由外向内”的技术路线，能够通过微细机械剥离、溶液化学剥离以及激光消融等手段来制备。这些工艺虽然可以产出单分子层厚的钼二硫化物薄膜，不过产出的薄膜面积不大，并且难以精确调控其面积和厚度。采用逐层叠加技术，选用多种钼化合物和硫化合物作为原料，借助气相生长技术，可以制备出覆盖范围广阔的二硫化钼薄膜材料。尽管这种制造技术能够产出尺寸较大的二硫化钼薄膜，不过它存在诸多不足之处，例如需要较高的反应温度、工艺要求严格、生产效率不高、整个制备过程耗时较长，并且反应产生的废气会对自然环境造成污染。采用逐级构建的工艺路径，包括使用MoO3或MoCl5与硫粉作为原料合成MoS2，这种工艺存在反应环境温度偏高、操作要求严格、产物纯度不高以及废气排放严重的问题；另一种技术是先通过电子束熔化Mo金属然后进行硫化处理云开·全站体育app登录，该制备流程分为两个阶段，对层数的调控效果不佳，难以得到单原子层级的产物；还有一种是利用(MM)MoS4S前驱体进行热解反应，这种方法同样会造成废气污染，并且只能制备出三层或更多层级的MoS2薄膜材料。现阶段，要实现大规模且品质上乘的二硫化钼薄膜的可控生产，依然面临着相当严峻的困难。本发明旨在应对这些挑战，采用双源蒸发技术，促使钼原子与硫原子分别从各自源点释放，并定向沉积到指定基板上，通过精确调控钼源与硫源的挥发速度，确保钼原子和硫原子的数量比例达到1比2，促使钼原子和硫原子在受热基板上发生化学作用，形成二硫化钼分子，再借助调节电子束强度、热蒸发环境温度以及沉积时长，从而实现对二硫化钼薄膜层数（即厚度）的精确把控。这种技术易于实施，膜厚能够精确调控，能够制造出范围广阔的、纯度极高的单分子、双分子以及多层结构的二硫化钼膜；不仅如此，该方法的反应环境温度不高，运行效率很强，重复操作稳定，调节方便，适合大规模生产，为二硫化钼在电学性质和光学性能方面的应用奠定了可靠的实验基础。
【发明内容】
由于前述现有技术的不足之处，本发明的目标在于研发一种能够制备出层状结构均匀、品质优良、面积宽广、层数可调节的二硫化钼薄膜材料。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下:
有一种制作二硫化钼薄层的技术，需要在无空气状态下进行，把钼金属细小颗粒和硫磺粉末当作原料，采用双重蒸发手段在指定基片上制作MoS2薄层，通过改变钼源与硫源的汽化速度，让Mo原子和S原子的比例达到1比2，促使Mo原子与S原子在受热基片上发生化学变化形成MoS2微粒，从而得到纯度很高且层数可以控制的二硫化钼薄层。
首选方案是，通过控制钼金属蒸发的电子束强度、硫粉末蒸发的热度以及沉积时长，来让钼原子和硫原子的比例达到1比2，钼原子与硫原子在受热的基板上发生作用，形成MoS2粒子，从而得到层数可以调整的二硫化钼薄膜。
作为优选方式，本方法进一步包括如下步骤:
在电子束蒸发和阻蒸多源蒸发镀膜机的腔室内部，放置经过清洁处理的基底到样品所在位置，接着在电子束蒸发的坩埚里面装入钼金属的细小颗粒，同时在阻蒸的坩埚中加入硫的粉末状物质
腔体本底真空抽至极低水平，低于lX10_3Pa，同时基底温度维持在300至600摄氏度之间。
通过控制钼金属蒸发的电子束强度、硫粉末蒸发的热度和沉积时长，能够得到分布均匀的、纯度高的、层数可调控的二硫化钼薄膜，
4)生长结束后，自然冷却到室温，即可制得二硫化钼薄膜。
首选方案中，基底材料具体包括二氧化硅硅片、单晶氧化铝基片、石英基片、云母基片以及单晶硅基片。
作为优选方式，钼金属蒸发的电子束流大小为30?100mA。
作为优选方式，硫粉末蒸发温度为100?200°C。
作为优选方式，生长时间为I?20min。
前面已经提到，这项发明有以下几点突出的优点：该技术运用双源蒸发原理，促使钼原子和硫原子单独存在时进行反应，接着在基片上形成沉积物，能够确保二硫化钼薄膜分布均匀，并且让钼原子与硫原子的比例维持在1比2；通过调整电子束强度、热蒸发环境的温度以及生长的时间，可以精确控制二硫化钼薄膜的层数，也就是它的厚度；这种发明步骤清晰，厚度调节方便，能够制造出覆盖范围广、纯度高，既是一层分子又可以是多层分子的二硫化钼薄膜；此方法具备反应温度不高、步骤简单、调节精准、结果稳定、适合大量生产这些优点，为二硫化钼在电学性质和光学性质方面的使用，提供了值得信赖的样品制作方案。
【专利附图】
【附图说明】
图1展示了实例二中的单分子层MoS2薄膜在S1 2/Si基座上的拉曼光谱数据，该数据通过光谱仪获取，能够反映材料特性
图2展示了实例二中的单分子层MoS2薄膜在Si02/Si基板上的光电子能谱数据
图3展示了实施例3中双层结构1-2薄膜在单晶硅基材上的拉曼光谱数据
图4展示了实施例4中多层MoS2薄膜在石英衬底上的拉曼光谱数据，具体表现为一系列特征峰，通过这些峰可以分析薄膜的物相结构和结晶质量
图五展示了范例五中多层MoS2薄膜在云母衬底上的拉曼光谱数据
图六展示了范例六中多层MoS2薄膜在单晶氧化铝衬底上的拉曼光谱数据，通过该图可以分析出薄膜的振动特性
【具体实施方式】
为了更清晰地展现本发明的目标、技术构思以及其长处，接下来将参照相关图纸和具体案例，对本发明展开详尽的阐述。
实施例1
采用某种技术方案，可以制造出钼硫化物薄层，具体步骤包括，在无空气状态下，选用钼物质与硫磺作为起始材料，借助两种物质分别蒸发的技术，在指定基座上形成钼硫化物层，通过控制钼物质蒸发的电子光束强度、硫磺蒸发的热度以及形成过程的时长，确保钼原子与硫原子的比例达到一比二，钼原子和硫原子在受热的基座上发生化学变化kaiyun全站网页版登录，产生钼硫化物微粒，最终得到层数可以精确控制的钼硫化物薄膜。
实施例2
一种制备二硫化钼薄膜的方法，包括下列步骤:
在电子束蒸发和阻蒸多源蒸发镀膜机的腔室内部，放置经过清洁处理的Si02/Si基座，作为样品所在之处；接着，将钼金属的细小颗粒置入电子束蒸发的容器内，同时把硫的粉末状物质装入阻蒸的容器之中。
腔体本底真空抽至低于IX 10_3帕，基底温度提升至300摄氏度，
钼金属的蒸发电子束电流值是三十毫安，硫粉末的蒸发温度设定在一百度，这两种物质都要提前进行两分钟的蒸发处理。
4)打开挡板开始生长，生长时间为Imin ;
培育完成之后，让其自然降温至常温，便能够获得单分子层二硫化钼薄膜。
实施例2制备的MoS2薄膜的拉曼光谱如图1呈现，其中E2g1与A1g两个特征峰分别位于383.6和403.4处，两者之间的间距为19.8，这说明制备的样品是单分子层二硫化钼。图2展示了实施例2所制备的单分子层二硫化钼薄膜的光电子能谱数据，其中Mo 3d的价态位于229.5eV和232.7eV，分别对应Mo 3d5/2轨道和Mo 3d3/2轨道，S 2p的1/2轨道和3/2轨道则出现在163.7eV和162.4eV，这些数值与二硫化钼晶体的特征值相符，同时Mo原子和S原子的比例接近1:2。
实施例3
一种制备二硫化钼薄膜的方法，包括下列步骤:
在电子束蒸发与阻蒸多源蒸发镀膜机的腔室内部，样品安放处放置已清洁的单晶硅片基座，随后在电子束蒸发的坩埚和阻蒸的坩埚中，依次置入钼金属的细小颗粒和硫的粉末形态。
腔体本底真空抽至IX 10_3Pa以下，然后基底温度升高到400°C，并且保持这个温度。
钼金属的蒸发电子束电流值是40毫安，硫粉末的蒸发温度设定为110摄氏度，这两项参数均需提前处理2分钟时间。
4)打开挡板开始生长，生长时间为2min ;
培育完成之后，让它慢慢降温至常温状态，就能获得双层结构的二硫化钼膜。
图3展示了实施例3制作的双层二硫化钼薄膜的拉曼光谱，其中E2g1特征峰和A lg特征峰分别位于382.2cm-1与403.5cm-1的位置，这两个峰值的间距为21.1cm-1，表明制备的样品属于双分子层二硫化钼材料。
实施例4
一种制备二硫化钼薄膜的方法，包括下列步骤:
在电子束蒸发和阻蒸多源蒸发镀膜机的腔室里，放置好已经清洗过的石英片基底作为样品位置，接着在电子束蒸发的坩埚和阻蒸的坩埚中，分别装入钼金属颗粒和硫粉末材料。
腔体本底真空抽至低于IX 10_3帕，然后将基底温度提高至450摄氏度，
钼金属的电子束流强度为70毫安，硫粉末的加热温度达到150摄氏度，这两项操作都需要提前进行两分钟；
4)打开挡板开始生长，生长时间为Smin ;
完成生长过程后，让其自然降温至环境温度，能够获得多层二硫化钼膜。
图4展示了实施例4制作的多层二硫化钼薄膜的拉曼光谱，其中E2g1特征峰和A1g特征峰分别位于380.7厘米⁻¹和404.2厘米⁻¹，二者之间的波数差为23.5厘米⁻¹，这表明所制备的样品确实是多层二硫化钼材料。
实施例5
一种制备二硫化钼薄膜的方法，包括下列步骤:
在电子束蒸发和阻蒸多源蒸发镀膜机的腔室内部，样品所在处放置经过清洁处理的云母片基座，随后将钼金属的细小颗粒分别置入电子束蒸发的容器内，同时把硫的粉末状物质加入阻蒸的容器之中
腔体本底真空抽至低于IX 10_3帕，然后基底温度提升到500摄氏度，
钼金属的蒸发电子束电流设置为100毫安，硫粉末的蒸发温度调整至200摄氏度，这两种物质需要预先进行蒸发两分钟时间。
4)打开挡板开始生长，生长时间为4min ;
5)生长结束后，自然冷却到室温，即可制得多分子层二硫化钼薄膜。
图5展示了实施例5制作的多层二硫化钼薄膜的拉曼光谱，其中E2g1特征峰和A lg特征峰分别位于381.7CHT1与406.2CHT1位置，两者之间的距离为24.δαιΓ1，由此可以确认所获得的材料确实是多层二硫化钼。
实施例6
一种制备二硫化钼薄膜的方法，包括下列步骤:
在电子束蒸发和阻蒸多源蒸发镀膜设备的腔室里，放置已清洁的单晶氧化铝片作为样品基座，随后在电子束蒸发的容器和阻蒸的容器中，分别置入钼金属的细小颗粒和硫的粉末原料。
腔体本底真空抽至低于IX 10_3帕，接着将基底温度提高至600度，
钼金属的蒸发电子束流值是50毫安，硫粉末的蒸发温度设定为130摄氏度，这两项参数都需要提前进行两分钟的预热处理。
4)打开挡板开始生长，生长时间为20min ;
5)生长结束后，自然冷却到室温，即可制得多分子层二硫化钼薄膜。
图6展示了实施例6制作的多层二硫化钼薄膜的拉曼光谱，其中E2g1与A lg两个特征峰分别位于382.8和407.1处，二者之间的间距为24.3，这表明该样品确实是多层二硫化钼材料。
这些具体示例仅为了阐释本发明的核心概念和实际效果开yun体育app官网网页登录入口，并不是用来限定本发明的范围。任何掌握这项技术的人都可以在不违背本发明基本理念的情况下，对前述示例进行适当的调整或改进。所以，只要是在本发明所展现的精神和技术思路范围内，所属【技术领域】里具备一般知识的人员所完成的一切等效调整或改进，都应该被本发明的权利要求所包含。
【权利要求】
有一种制造二硫化钼薄膜的技术，其要点在于：在无空气的状态下，把钼金属细小颗粒和硫磺粉末当作材料，借助双源汽化技术，在指定基片上形成MoS2薄膜，调节钼与硫的汽化速度，让Mo原子和S原子的比例达到1比2，促使Mo原子和S原子在受热的基片上发生化学变化生成MoS2微粒，由此得到层数可以控制的二硫化钼薄膜。
根据权利要求1所述的制备二硫化钼薄膜的方法，其特征在于，需要控制钼金属蒸发的电子束流大小，同时调整硫粉末蒸发的温度，并且设定生长时间，以此确保Mo原子和S原子的比例达到1比2，Mo原子和S原子会在被加热的衬底上发生反应，形成MoS2分子，最终得到层数可以调节的二硫化钼薄膜。
采用权利要求1所述方法制备二硫化钼薄膜，具体操作如下: 首先在电子束蒸发和多源蒸发设备腔室内的样品区放置已清洁的基板，接着在电子束蒸发的容器和多源蒸发的容器中分别装入钼原料和硫物料； 然后将腔体内部抽真空至低于IX10_3帕，使基板温度维持在300至600摄氏度之间； 通过控制钼原料的电子束强度、硫物料的蒸发温度以及沉积时长，能够得到分布均匀且层数可调节的二硫化钼薄膜； 完成沉积后，让基板缓慢降温至常温，最终获得所需的二硫化钼薄膜。
根据权利要求3所述的制备二硫化钼薄膜的方法，其特征在于，基底包括S12/Si片,单晶氧化铝片,石英片,云母片,单晶硅片。
根据权利要求3所述的制备二硫化钼薄膜的方法，其特征在于，钼金属蒸发的电子束流强度介于30至100毫安之间。
根据权利要求3所述的制备二硫化钼薄膜的方法，其特征在于:硫粉末的气化温度介于100度到200度之间。
依据权利要求3所述的制备二硫化钼薄膜的方法，其特点在于，生长的时长介于1到20分钟之间。
文档编号为C23C14/24GK104498878SQ201410766731, 这是一份特定的文件标识, 用来区分不同的资料, 它包含了多个字符和数字组合, 具有唯一性, 可以作为该文档的唯一凭证。
【揭幕时刻】2015年4月8日, 那天是向公众展示的日子, 提交申请的时间是在2014年12月12日, 享有优先权的日期也是2014年12月12日
【创造者】陈远富, 戚飞, 刘兴钊, 李萍剑, 郑斌杰, 张万里, 他们是这项发明的构思者, 提出申请的机构是电子科技大学
