一種二硫化鉬的基底轉(zhuǎn)移方法與流程

本發(fā)明涉及一種二硫化鉬的基底轉(zhuǎn)移方法，屬于材料科學(xué)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

單層二硫化鉬是一種新型的二維原子晶體，以由s-mo-s組成的三棱柱為結(jié)構(gòu)單元。與零帶隙的石墨烯相比，單層二硫化鉬是具有直接帶隙(～1.9ev)的半導(dǎo)體，因此更有望代替硅晶，成為下一代計(jì)算機(jī)芯片材料。并且單層的二硫化鉬的柔性特性能夠滿足日益增長(zhǎng)的可穿戴設(shè)備要求。同時(shí)，單層二硫化鉬還具有帶隙可調(diào)、強(qiáng)光-物質(zhì)相互作用，強(qiáng)自旋軌道耦合等獨(dú)特的物理性質(zhì)，因此也在光電檢測(cè)及未來的自旋電子器件、谷電子器件等的領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。目前，人們采用化學(xué)氣相沉積(cvd)方法在有二氧化硅層的硅片(sio2/si)、藍(lán)寶石(sapphire)、云母(mica)鈦酸鍶(sto)等基底上制備出大面積、高質(zhì)量二硫化鉬，并通過刻蝕基底的方法把二硫化鉬轉(zhuǎn)移到目標(biāo)襯底。由于用刻蝕法轉(zhuǎn)移二硫化鉬的過程中會(huì)使用氫氟酸(hf)或強(qiáng)堿(naoh)刻蝕基底，所以生長(zhǎng)基底會(huì)被破壞無法再使用，hf等廢液也會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染，同時(shí)刻蝕耗時(shí)較長(zhǎng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種二硫化鉬的基底轉(zhuǎn)移方法。本發(fā)明是一種快速、無需刻蝕生長(zhǎng)基底的轉(zhuǎn)移方法，生長(zhǎng)基底可以循環(huán)使用并對(duì)環(huán)境友好，極大的縮短了基底轉(zhuǎn)移的時(shí)間。

本發(fā)明提供的二硫化鉬的基底轉(zhuǎn)移方法，包括如下步驟：1)將生長(zhǎng)有二硫化鉬的生長(zhǎng)基底中有二硫化鉬的一面滴涂聚甲基丙烯酸甲酯溶液，使所述聚甲基丙烯酸甲酯溶液在二硫化鉬上成膜，得到涂有聚甲基丙烯酸甲酯的二硫化鉬的生長(zhǎng)基底；

2)將步驟1)中所述涂有聚甲基丙烯酸甲酯的二硫化鉬的生長(zhǎng)基底放入去離子水中超聲，使涂有聚甲基丙烯酸甲酯的二硫化鉬與所述生長(zhǎng)基底脫離；

3)使用目標(biāo)襯底與步驟2)中所述涂有聚甲基丙烯酸甲酯的二硫化鉬貼合；

4)將步驟3)中所述二硫化鉬浸入有機(jī)溶劑中除去所述聚甲基丙烯酸甲酯，得到目標(biāo)襯底上的二硫化鉬。

上述的方法中，所述生長(zhǎng)有二硫化鉬的生長(zhǎng)基底的制備方法包括如下步驟：在所述生長(zhǎng)基底采用化學(xué)氣相沉積法制備所述二硫化鉬；

所述生長(zhǎng)基底為有二氧化硅層的硅片、藍(lán)寶石、云母或鈦酸鍶；

所述聚甲基丙烯酸甲酯溶液為聚甲基丙烯酸甲酯溶于丙酮、乙酸乙酯或甲苯中配成。

上述的方法中，所述成膜采用勻膠機(jī)；

所述勻膠機(jī)的轉(zhuǎn)速可為500～1500rpm，具體可為1000rpm、1000～1500rpm、500～1500rpm或800～1200rpm；

所述勻膠機(jī)的勻膠時(shí)間可為30～60s，具體可為50s、50～60s、30～50s或45～55s。

上述的方法中，所述超聲的功率可為70～180w，具體可為180w；

所述超聲的時(shí)間可為3～60s，具體可為10s、10～60s、3～10s、8～20s或5～30s；

所述去離子水的溫度可為25～80℃，具體可為80℃、60～80℃、50～80℃或30～80℃。

上述的方法中，步驟2)中還包括將所述涂有聚甲基丙烯酸甲酯的二硫化鉬的生長(zhǎng)基底加熱的步驟。

上述的方法中，所述加熱的溫度可為80～150℃，具體可為100℃、80～100℃、100～150℃或90～140℃；所述加熱的時(shí)間為5～30min，具體可為10min、10～30min、5～10min或8～25min。

上述的方法中，步驟3)中還包括將所述涂有聚甲基丙烯酸甲酯的二硫化鉬除水的步驟。

上述的方法中，所述除水的溫度可為100～150℃，具體可為100℃或100～130℃；所述除水的時(shí)間可為10～30min，具體可為15min、15～30min、10～15min或10～25min。

上述的方法中，所述有機(jī)溶劑為丙酮、乙酸乙酯、甲苯、苯和氯仿中的至少一種。

上述的方法中，所述目標(biāo)襯底為無機(jī)物基底、金屬基底和有機(jī)物基底中的至少一種；

所述無機(jī)物基底為有二氧化硅層的硅片、鈦酸鍶、石英、藍(lán)寶石、玻璃、石墨和六方氮化硼中的至少一種；

所述金屬基底為金箔、單晶金和鉑箔中的至少一種；

所述有機(jī)物基底為pet、pva和pdms中的至少一種。

本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明使用超聲振動(dòng)將二硫化鉬與生長(zhǎng)基底剝離，避免了氫氟酸(hf)或強(qiáng)堿(naoh)刻蝕劑的使用，既無損生長(zhǎng)基底，使其可以循環(huán)利用，又對(duì)環(huán)境零污染。同時(shí)，本發(fā)明極大的縮短了轉(zhuǎn)移所需時(shí)間，從刻蝕法所需的30～60min縮短到3～60s。該方法具有高效、經(jīng)濟(jì)的特性，在二硫化鉬器件大規(guī)模應(yīng)用方面極具潛力。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的工作原理以及主要實(shí)驗(yàn)步驟的示意圖及過程照片，其中，圖1(a) 為超聲鼓泡原理示意圖；圖1(b)為轉(zhuǎn)移過程示意圖；圖1(c)為超聲轉(zhuǎn)移過程中將要轉(zhuǎn)移的樣品放入超聲清洗機(jī)中的照片；圖1(d)為從生長(zhǎng)基底剝離下來的pmma/mos2疊層結(jié)構(gòu)漂浮在水上的照片；圖1(e)為2英寸大小的二硫化鉬轉(zhuǎn)移到硅片上的照片。

圖2是通過本發(fā)明轉(zhuǎn)移到300nmsio2/si襯底上二硫化鉬的形貌表征、光學(xué)表征及拉曼表征；其中，圖2(a)、(b)、(c)、(d)分別為硅片、云母、鈦酸鍶、藍(lán)寶石上生長(zhǎng)的二硫化鉬的sem照片；圖2(e)、(f)、(g)、(h)為硅片、云母、鈦酸鍶、藍(lán)寶石上生長(zhǎng)的二硫化鉬轉(zhuǎn)移到目標(biāo)硅片上的照片；圖2(i)、(j)、(k)、(l)分別為硅片、云母、鈦酸鍶、藍(lán)寶石上生長(zhǎng)的二硫化鉬轉(zhuǎn)移到目標(biāo)硅片上的高倍光學(xué)照片與拉曼表征。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例中藍(lán)寶石上二硫化鉬轉(zhuǎn)移到300nmsio2/si襯底的光學(xué)、拉曼及熒光表征；其中，圖3(a)為二硫化鉬從藍(lán)寶石基底轉(zhuǎn)移到目標(biāo)硅片后的照片；圖3(b)為目標(biāo)硅片上二硫化鉬薄膜的高倍光學(xué)照片(左邊界)；圖3(c)為目標(biāo)硅片上二硫化鉬薄膜的高倍光學(xué)照片(左中區(qū)域)；圖3(d)為目標(biāo)硅片上二硫化鉬薄膜的高倍光學(xué)照片(中間區(qū)域)；圖3(e)為目標(biāo)硅片上二硫化鉬薄膜的高倍光學(xué)照片；圖3(f)為目標(biāo)硅片上二硫化鉬薄膜的拉曼掃描成像(ramanmapping)；圖3(g)為目標(biāo)硅片上二硫化鉬薄膜的熒光掃描成像(mapping)；圖3(h)為目標(biāo)硅片上二硫化鉬小島的高倍光學(xué)照片；圖3(i)為目標(biāo)硅片上二硫化鉬小島的拉曼掃描成像；圖3(j)為目標(biāo)硅片上二硫化鉬小島的熒光掃描成像；圖3(k)為轉(zhuǎn)移前后不同基底上二硫化鉬的拉曼對(duì)比；圖3(l)為轉(zhuǎn)移前后不同基底上二硫化鉬的熒光對(duì)比。

圖4是生長(zhǎng)基底可循環(huán)利用展示、轉(zhuǎn)移所需時(shí)間對(duì)比、超聲參數(shù)研究及光電檢測(cè)器應(yīng)用展示；其中圖4(a)為使用超聲鼓泡轉(zhuǎn)移法和傳統(tǒng)濕法刻蝕轉(zhuǎn)移法的藍(lán)寶石基底對(duì)比照片；圖4(b)為使用超聲鼓泡轉(zhuǎn)移后的藍(lán)寶石基底afm照片；圖4(c)為超聲鼓泡轉(zhuǎn)移后的生長(zhǎng)基底再次使用生長(zhǎng)的二硫化鉬sem照片；圖4(d)為不同轉(zhuǎn)移方法用時(shí)對(duì)比；圖4(e)為超聲功率對(duì)轉(zhuǎn)移時(shí)間的影響；圖4(f)為工作溫度對(duì)轉(zhuǎn)移時(shí)間的影響；圖4(g)為石墨烯/二硫化鉬疊層結(jié)構(gòu)fet器件的光學(xué)照片；圖4(h)為明態(tài)與暗態(tài)的伏安特性曲線；圖4(i)為石墨烯/二硫化鉬疊層結(jié)構(gòu)的能帶示意圖。

具體實(shí)施方式

下述實(shí)施例中所使用的實(shí)驗(yàn)方法如無特殊說明，均為常規(guī)方法。

下述實(shí)施例中所用的材料、試劑等，如無特殊說明，均可從商業(yè)途徑得到。

實(shí)施例1、一種快速、無需刻蝕生長(zhǎng)基底的二硫化鉬轉(zhuǎn)移方法

本發(fā)明采用超聲剝離的二硫化鉬轉(zhuǎn)移方法，主要原理與實(shí)驗(yàn)步驟如圖1所示，步驟如下：

1)在藍(lán)寶石生長(zhǎng)基底上采用cvd法制備二硫化鉬，具體制備過程如下：將藍(lán)寶石生長(zhǎng)基底放入lpcvd腔體中，并在上游依次放置0.5g-1g硫粉和粒徑為10μm的三氧化鉬粉末(20mg)，硫粉與moo3的距離為35cm；三氧化鉬粉末與藍(lán)寶石基底距離為10cm；其中硫粉在爐體外用加熱帶加熱。啟動(dòng)機(jī)械泵將體系抽至1pa并保持開啟狀態(tài)，再以50sccm氬氣和10sccm氫氣清洗管路系統(tǒng)10min。然后切斷氫氣供應(yīng)，以50sccm氬氣作為載氣，105℃下加熱硫粉使之緩慢揮發(fā)，同時(shí)加熱爐體使之在35min(升溫速率為15℃/min)內(nèi)升溫至530℃的生長(zhǎng)溫度，體系真空度為1pa，并在此溫度保持30-60min進(jìn)行低壓化學(xué)氣相沉積。之后掀開爐蓋，切斷硫供應(yīng)，在流量為10sccm的氫氣氣氛和氬氣氣氛中，自然冷卻降溫至室溫，打開放氣閥平衡系統(tǒng)內(nèi)外壓力，取出樣品，得到藍(lán)寶石基底上的二硫化鉬。

2)將生長(zhǎng)有二硫化鉬的藍(lán)寶石放在勻膠機(jī)上，在生長(zhǎng)基底表面滴涂聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)溶液，勻膠機(jī)轉(zhuǎn)速1000rpm，勻膠時(shí)間50s，啟動(dòng)勻膠機(jī)，使pmma在二硫化鉬上均勻成膜。

3)將2)中得到的涂有pmma薄膜的生長(zhǎng)基底放到加熱臺(tái)上，100℃烤膠10min，烘干溶劑。

4)將3)中得到的烤膠烘干后的生長(zhǎng)基底放入裝有80℃去離子水的燒杯中，再把該燒杯放入超聲清洗機(jī)中以180w功率超聲10s，使得有pmma支撐的二硫化鉬薄膜與生長(zhǎng)基底脫離。

5)用300nmsio2/si目標(biāo)襯底將4)中得到的二硫化鉬薄膜撈起，放到加熱臺(tái)上加熱至100℃，保持15min去除殘留水分，使二硫化鉬薄膜與目標(biāo)襯底很好的貼合。

6)將5)中得到的轉(zhuǎn)移到300nmsio2/si襯底上的二硫化鉬薄膜浸入丙酮1h除去pmma。

本實(shí)施例與現(xiàn)有刻蝕法相比，避免了氫氟酸(hf)或強(qiáng)堿(naoh)刻蝕劑的使用，對(duì)生長(zhǎng)基底無損，生長(zhǎng)基底可以循環(huán)使用，并且極大的縮短了轉(zhuǎn)移所需時(shí)間。

圖2是通過本發(fā)明成功轉(zhuǎn)移不同生長(zhǎng)基底上的二硫化鉬到300nmsio2/si襯底的表征。圖2(a-d)是轉(zhuǎn)移之前在不同生長(zhǎng)基底(二氧化硅、云母、鈦酸鍶、藍(lán)寶石)上的二硫化鉬的電子顯微鏡(sem)照片，深色襯度為二硫化鉬。圖2(e-h)是轉(zhuǎn)移后的生長(zhǎng)基底和300nmsio2/si襯底的對(duì)比照片。圖2(i-l)是轉(zhuǎn)移后的300nmsio2/si襯底上二硫化鉬的光學(xué)照片及拉曼表征。圖2(a-d)與圖2(i-l)對(duì)比顯示，二硫化鉬的形貌在轉(zhuǎn)移前后基本保持不變。并且拉曼特征峰峰間距顯示二氧化硅、云母、鈦酸鍶上生長(zhǎng)的二硫化鉬為單層(峰間距20cm^-1)，而藍(lán)寶石上為多層(25cm^-1)。

圖3是實(shí)施例中藍(lán)寶石上二硫化鉬轉(zhuǎn)移到300nmsio2/si襯底的光學(xué)、拉曼及熒光表征。實(shí)施例中采用的藍(lán)寶石基底上生長(zhǎng)的二硫化鉬與圖2(d)生長(zhǎng)條件不同，為單層二硫化鉬。圖3(a-d)是轉(zhuǎn)移后300nmsio2/si襯底上二硫化鉬大范圍光學(xué)照片，在毫米尺度的均一襯度體現(xiàn)了轉(zhuǎn)移后二硫化鉬的均勻性。圖3(e-j)是選定區(qū)域的拉曼峰強(qiáng)、熒光峰強(qiáng)mapping，顯示在微米尺度信號(hào)強(qiáng)度均一，證明了二硫化鉬層數(shù)與晶體質(zhì)量的均勻性。圖3(k)是單層二硫化鉬的拉曼光譜表征，拉曼振動(dòng)峰位于385cm^-1和405cm^-1，分別對(duì)應(yīng)單層二硫化鉬的e2g¹和a1g振動(dòng)模。圖3(l)是熒光光譜表征，表現(xiàn)出～662nm處的一個(gè)很強(qiáng)的單峰。

圖4(a)是用本發(fā)明轉(zhuǎn)移后的藍(lán)寶石生長(zhǎng)基底(圖4(a)中(1))與刻蝕法轉(zhuǎn)移后的藍(lán)寶石生長(zhǎng)基底(圖中4(a)中(2))的照片對(duì)比，可以直觀看出本發(fā)明轉(zhuǎn)移后的基底表面光滑，而刻蝕法轉(zhuǎn)移后的基底表面明顯粗糙。

圖4(b)是圖4(a)中本發(fā)明轉(zhuǎn)移后的藍(lán)寶石生長(zhǎng)基底的原子力顯微鏡(afm)圖像。表明在微觀尺度上藍(lán)寶石表面的平整。

圖4(c)是圖4(a)中本發(fā)明轉(zhuǎn)移后的藍(lán)寶石生長(zhǎng)基底第二次生長(zhǎng)二硫化鉬的sem圖片。表明本發(fā)明轉(zhuǎn)移后的生長(zhǎng)基底可以循環(huán)使用。

圖4(d)是本發(fā)明轉(zhuǎn)移方法與刻蝕法在步驟4)中使二硫化鉬薄膜與生長(zhǎng)基底脫離所需時(shí)間。

圖4(e)是步驟4)中超聲功率對(duì)轉(zhuǎn)移時(shí)間的影響。

圖4(f)是步驟4)中去離子水溫度對(duì)轉(zhuǎn)移時(shí)間的影響。

該實(shí)施例的應(yīng)用：

在實(shí)施例得到的300nmsio2/si襯底上的二硫化鉬表面覆蓋上石墨烯(graphene)薄膜，形成graphene-mos2光電檢測(cè)器原型器件(圖4(g))。光電測(cè)試結(jié)果如圖4(h)，與暗態(tài)源漏電流相比，在可見光(150w氙燈)照射下的源漏電流有所降低，在負(fù)柵壓調(diào)制下更為明顯，在-100v的光響應(yīng)度約為1.3×10⁴a/w，顯著優(yōu)于目前報(bào)道的大部分的石墨烯光電檢測(cè)器或二硫化鉬光電檢測(cè)器。其工作原理如圖4(i)所示。