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CN116121865A - 一种制备硒化钨/硒化铟二维垂直异质结的方法 - Google Patents

一种制备硒化钨/硒化铟二维垂直异质结的方法 Download PDF

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CN116121865A
CN116121865A CN202310147363.7A CN202310147363A CN116121865A CN 116121865 A CN116121865 A CN 116121865A CN 202310147363 A CN202310147363 A CN 202310147363A CN 116121865 A CN116121865 A CN 116121865A
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祁祥
王广
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Abstract

本发明公开了一种制备硒化钨/硒化铟二维垂直异质结的方法。本发明主要是，两步逆向气流化学气相沉积直接制备硒化钨/硒化铟二维垂直异质结。使用第一步逆向气流化学气相沉积单层WSe2薄片，在升温阶段引入逆向气流，硒化钨粉末作为前驱体，在管式炉中加热，在基片上沉积单层WSe2薄片；再使用第二步逆向气流化学气相沉积法在生长好WSe2薄片上沉积In2Se3异质结，在升温阶段引入逆向气流，将第一步生长好的WSe2薄片作为衬底，硒化铟粉末作为前驱体进行加热，得到硒化钨/硒化铟二维垂直异质结。本发明由于在升温过程引入逆向气流，能够避免升温阶段化合物提前沉积，避免化合物过饱和生长，能够获得大尺寸，高结晶度和平整度的异质结，性能稳定，应用价值更高，反应常压下进行，对设备要求低，适合大规模生产。

Description

一种制备硒化钨/硒化铟二维垂直异质结的方法
技术领域
本发明涉及半导体层状异质结薄片制备技术领域，特别是涉及到一种两步逆向气流化学气相沉积技术直接衬底上制二维垂直异质结的方法。
背景技术
异质结的研究一直在材料科学中占据重要地位，二维材料的合成与制备技术的飞速发展将新型范德华异质结的研究推上热潮。单层WSe2作为一种直接带隙p型半导体材料，是与其他n型半导体材料制备异质结的研究热点。然而通过机械剥离手段制备单层WSe2尺寸小，不可控。而In2Se3的制备更是造成WSe2/In2Se3异质结研究的阻碍，目前已报道的WSe2/In2Se3异质结研究中主要以机械剥离手段获取的少层WSe2和In2Se3为主，难以可控制备具有特定层数组合的WSe2/In2Se3异质结。两步法逆向气流化学气相沉积，则具有工艺简单、生产成本低廉、耗能小、而且能够更改精准的控制每个组分的尺寸，可直接得到物相均匀、纯度较高、厚度较小的产物等优点。而通过两步法逆向气流化学气相沉积制备硒化钨/硒化铟二维垂直异质结较为少报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供硒化钨/硒化铟二维垂直异质结制备，本发明提供了一种制备硒化钨/硒化铟二维垂直异质结的方法，两步逆向气流化学气相沉积直接制备硒化钨/硒化铟二维垂直异质结。使用第一步逆向气流化学气相沉积单层WSe2薄片，在升温阶段引入逆向气流，硒化钨粉末作为前驱体，在管式炉中加热，在基片上沉积单层WSe2薄片；再使用第二步逆向气流化学气相沉积法在生长好WSe2薄片上沉积In2Se3异质结，在升温阶段引入逆向气流，将第一步生长好的WSe2薄片作为衬底，硒化铟粉末作为前驱体进行加热，得到硒化钨/硒化铟二维垂直异质结。
所述制备硒化钨/硒化铟二维垂直异质结方法，包括如下顺序的步骤：
(1)称取一定重量的固体WSe2粉末放置在管式炉中心，将处理好的衬底放置在管式炉内壁和外壁边缘处，通入逆向100-500sccm氩气清洗气路10-20min；将氩气气流减小至100-150sccm，将温度加热至1150-1180摄氏度；当目标温度到达后切换气流方向为正向气流，保持目标温度3-5分钟，致使单层WSe2在基片上生长，最后将设备自然降温至室温，即在基片上制备单层WSe2薄片。
(2)称取一定重量的固体In2Se3粉末放置在管式炉中心，将第一步逆向气流沉积法中得到的生长好的WSe2薄片作为衬底，衬底放置在管式炉内壁和外壁边缘处，通入逆向100-500sccm氩气清洗气路10-20min，将氩气气流减小至40-60sccm，加入3-5sccm氢气，将温度加热至800-850摄氏度；当目标温度到达后切换气流方向为正向气流，保持目标温度5-10分钟，致使In2Se3原子层生长。最后将设备自然降温至室温，即制备硒化钨/硒化铟二维垂直异质结。
具体的，逆向气流化学气相沉积法分为洗气，升温，生长，降温四个阶段，洗气，升温阶段通入逆向气流(衬底流向源),生长，降温阶段通入正向气流(源流向衬底)。
具体的，所述硒化钨/硒化铟均为市场上购买的纯度大于99.99％的工业产品。
本发明通过两步逆向气流化学气相沉积，在基片上制造高质量和大尺寸的硒化钨/硒化铟二维垂直异质结，利用光学显微镜、扫描电子显微镜、拉曼光谱和二次谐波(SHG)光谱描述异质结微观物理性能。本发明基片上生成硒化钨/硒化铟二维垂直异质结方法操作简单反应常压下进行，对设备要求低，适合大规模生产。制备出的异质结材料可应用于光电探测器，忆阻器，记忆性存储等领域，应用前景十分广阔。
本发明具有以下优点：
(1)制备工艺操作简单：本发明在制备过程中操作条件容易控制，整个过程中可随时调整气流大小和气流方向，整个制备过程在常压中进行，对设备要求不苛刻，适合大规模生产。
(2)生长质量优异：本发明生长的异质结由于在升温过程引入逆向气流，能够避免升温阶段化合物提前沉积，避免化合物过饱和生长，能够获得大尺寸，高结晶度和平整度的异质结，性能稳定，应用价值更高。
(3)在基片上制备的二维WSe2/In2Se3异质结规则层状薄片，可以用于制作光电探测器或者存储器件，获得较高的光电性能和记忆存储功能。从而代替其他材料，同时大大降低了生产成本。
附图说明：
图1是实施例制备得到的硒化钨/硒化铟二维垂直异质结的过程模拟图像；
图2是实施例1制备得到的硒化钨/硒化铟二维垂直异质结在的SiO2/Si基片上光学显微镜图；
图3是实施例2制备得到的硒化钨/硒化铟二维垂直异质结在的蓝宝石基片上光学显微镜图；
图4是实施例1制备得到的硒化钨/硒化铟二维垂直异质结的表面扫描电子显微镜图；
图5是实施例1制备得到的硒化钨/硒化铟二维垂直异质结的拉曼光谱信息图；右图为异质结拉曼共聚焦成像图；
图6是实施例1制备得到的硒化钨/硒化铟二维垂直异质结的二次谐波光谱信号图,右图为二次谐波共聚焦成像图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1：
第一次逆向气流化学气相沉积过程，切割SiO2/Si基片成约15mm*15mm规格的正方形片，用乙醇溶液超声清洗15min。用天平取1g WSe2固体粉置于管式炉中间位置，SiO2/Si基片放置石英舟上对应处于管式炉内壁和外壁边缘处，加热前，开启逆向氩气气流为500sccm冲洗气路5分钟，气流方向为图1步骤1编号1。将炉子加热到1150摄氏度，气流大小设置为100sccm，气流方向为图1编号1。加热到1150℃时更改气流方向为正向气流方向为图1步骤1编号2，在1150℃保持3分钟，使得在SiO2/Si基片上生长单层WSe2，然后将设备冷却至室温，采用逆向气流化学沉积方法在SiO2/Si基片上生长单层WSe2，过程模拟图见图1步骤1；
第二次逆向气流化学气相沉积过程，称量50mg In2Se3固体粉末置于管式炉中间位置，生长好单层WSe2薄膜的SiO2/Si基片放置石英舟上对应处于管式炉内壁和外壁边缘处，加热前，开启逆向氩气气流500sccm(图1步骤2编号1)10分钟。调整气流为混合气体(氩气：60sccm，氢气：3sccm)在逆向气流下以26℃/min的加热速率将炉子加热到800℃，加热到800℃时更改气流方向为正向，气流方向为图1步骤1编号2。在800℃保持5min，使得In2Se3原子层在单层WSe2上进行生长，采用逆向气流化学沉积方法生长WSe2/In2Se3异质结，过程模拟图见图1步骤2。光学显微镜图片如图2显示所合成的WSe2层状纳米片呈三角形，大小在100μm左右；WSe2上方的In2Se3纳米片呈现圆形，大小在10μm左右，在三角形WSe2边缘处有大量颗粒状物质沉积，WSe2边缘与衬底边缘形成台阶更容易成核故而更容易沉积。
图4为两步逆向气流化学气相沉积法生长的WSe2/In2Se3异质结的扫描电子显微镜图像，可以看出异质结纳米片尺寸较大，形状清晰，边界平整。
图5展示的是在SiO2/Si衬底表面制备的WSe2/In2Se3异质结拉曼峰，图5左图中的插图是In2Se3拉曼信号的放大图，通过拉曼信号表征，证实了WSe2/In2Se3垂直异质结的构筑成功。
图6显示了WSe2/In2Se3异质结薄片的SHG响应光谱，样品高强度信号的响应也表明WSe2/In2Se3异质结具有强的非线性效应，我们通过对整块异质结区域进行扫描，可以看到中有In2Se3生长的区域强度明显高于第一层单层WSe2。
实施例2：
用天平取1g WSe2固体粉置于石英管中间位置，蓝宝石基片放置石英舟上，裂解面朝上，对应处于管式炉内壁和外壁边缘处，加热前，开启逆向氩气气流为500sccm冲洗气路5分钟，气流方向为图1步骤1编号1。将炉子加热到1150摄氏度，气流大小设置为100sccm，气流方向为图1编号1。加热到1150℃时更改气流方向为正向气流方向为图1步骤1编号2，在1150℃保持3分钟，使得在SiO2/Si基片上生长单层WSe2，然后将设备冷却至室温，采用逆向气流化学沉积方法在SiO2/Si基片上生长单层WSe2，过程模拟图见图1步骤1；
第二次逆向气流化学气相沉积过程，称量50mg In2Se3固体粉末置于石英舟中间位置，生长好单层WSe2薄膜的蓝宝石基片放置石英舟上对应处于管式炉内壁和外壁边缘处，加热前，开启逆向氩气气流500sccm(图1步骤2编号1)10分钟。调整气流为混合气体(氩气：60sccm，氢气：3sccm)在逆向气流下以26℃/min的加热速率将炉子加热到800℃，加热到800℃时更改气流方向为正向，气流方向为图1步骤1编号2。在800℃保持5min，使得In2Se3原子层在单层WSe2上进行生长，采用逆向气流化学沉积方法生长WSe2/In2Se3异质结，过程模拟图见图1步骤2。图3显示的是蓝宝石衬底上WSe2/In2Se3异质结制备结果的光学显微镜图片，In2Se3在WSe2薄膜表面成核密度更加密集，生长尺寸较小。

Claims (3)

1.一种制备硒化钨/硒化铟二维垂直异质结的方法，其特征在于包括如下顺序的步骤：
(1)称取一定重量的固体WSe2粉末放置在管式炉中心，将处理好的衬底放置在管式炉内壁和外壁边缘处，通入逆向100-500sccm氩气清洗气路10-20min；将氩气气流减小至100-150sccm，将温度加热至1150-1180摄氏度；当目标温度到达后切换气流方向为正向气流，保持目标温度3-5分钟，致使单层WSe2在基片上生长，最后将设备自然降温至室温，即在基片上制备单层WSe2薄片。
(2)称取一定重量的固体In2Se3粉末放置在管式炉中心，将第一步逆向气流沉积法中得到的生长好的WSe2薄片作为衬底，衬底放置在管式炉内壁和外壁边缘处，通入逆向100-500sccm氩气清洗气路10-20min，将氩气气流减小至40-60sccm，加入3-5sccm氢气，将温度加热至800-850摄氏度；当目标温度到达后切换气流方向为正向气流，保持目标温度5-10分钟，致使In2Se3原子层生长。最后将设备自然降温至室温，即制备硒化钨/硒化铟二维垂直异质结。
2.根据权利要求1所述制备硒化钨/硒化铟二维垂直异质结的方法，其特征在于：逆向气流化学气相沉积法分为洗气，升温，生长，降温四个阶段，洗气，升温阶段通入逆向气流(衬底流向源),生长，降温阶段通入正向气流(源流向衬底)。
3.根据权利要求1所述制备硒化钨/硒化铟二维垂直异质结的方法，其特征在于：所述硒化钨/硒化铟均为市场上购买的纯度大于99.99％的工业产品。
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