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《中国科学院大学(中国科学院物理研究所)》 2017年
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化学气相沉积法外延高质量单层二硫化钼薄膜

余画  
【摘要】:单层过渡金属硫属化物,因为在力学,热学,光学,电学等基础物理学方面有着诸多优异特性,近年来受到了人们广泛关注。其中,单层二硫化钼是最典型的过渡金属硫属化物,由于来源广泛,相对稳定性好,更多的被人们研究。到目前为止,人们发现,单层半导体二硫化钼可以用来制作压电晶体管,发电机,超灵敏光电探测器,手性发光晶体管,高性能集成电路等。实现这些器件的实际应用,最为基础的便是大规模可控制备高质量单层二硫化钼样品以及将样品制作成器件所需结构。本论文围绕这两个方面展开研究,具体内容如下:1.在六方氮化硼上外延生长单层二硫化钼。我们机械剥离六方氮化硼到Si O2/Sip++衬底上,采用三温区化学气相沉积系统,以固体硫粉和三氧化钼粉末为前驱体,高温共蒸生长单层二硫化钼。二硫化钼的形核密度和晶粒形貌受到两前驱体的蒸发温度控制。二硫化钼样品在六方氮化硼台面上只有两个取向,相对角度为60o,与衬底六方氮化硼之间都没有转角。同种取向生长合并之后形成单晶,不同取向生长合并之后形成4|4P型镜像对称晶界。我们将单层二硫化钼连续成膜的样品封装之后测试场效应迁移率,大约为30 cm2V-1s-1。2.外延生长2英寸晶圆尺寸单层二硫化钼连续薄膜。采用自行设计搭建的2英寸三温区化学气相沉积系统,在2英寸单晶蓝宝石衬底上外延生长单层二硫化钼连续薄膜。薄膜均匀覆盖在整个蓝宝石衬底上,而且没有缝隙,没有第二层。薄膜由晶粒尺寸为1微米,相对取向为60o的晶粒拼接而成。最终薄膜只包含60o晶界。薄膜为n型,带隙为2.11 e V。薄膜转移到Si O2/Sip++衬底上的平均沟道迁移率为40 cm2V-1s-1。3.微机械剥离法制备二硫化钼图案。采用机械剥离方法,利用不同界面之间相互作用力的不同,将二硫化钼薄膜制作成不同形状的图案。加工精度可以达到100 nm。加工过程不伤害衬底,不伤害薄膜,没有掺杂,没有污染,与传统微加工工艺相兼容。
【关键词】:外延 化学气相沉积方法 薄膜 加工 过渡金属硫属化物
【学位授予单位】:中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:O484
【目录】:
  • 摘要3-5
  • Abstract5-9
  • 第一章 绪论9-29
  • 1.1 引言:二维过渡金属硫属化物9-10
  • 1.2 二硫化钼10-13
  • 1.2.1 二硫化钼的晶体结构10-12
  • 1.2.2 二硫化钼的电子结构12-13
  • 1.3 二硫化钼的特性及应用前景13-22
  • 1.3.1 光谱特性及光电探测器13-17
  • 1.3.2 电学特性及场效应晶体管17-18
  • 1.3.3 自旋谷电子学特性手性光发射晶体管18-20
  • 1.3.4 活性边缘及催化析氢反应20-21
  • 1.3.5 发电机21-22
  • 1.4 二硫化钼的制备方法22-27
  • 1.4.1 机械剥离法23-24
  • 1.4.2 化学气相沉积法24-27
  • 1.5 论文的内容和章节安排27-29
  • 第二章 实验相关表征手段和微加工技术29-43
  • 2.1 引言29
  • 2.2 实验相关表征手段29-35
  • 2.2.1 光学显微成像29-30
  • 2.2.2 原子力显微镜表征及操纵30-31
  • 2.2.3 拉曼光谱31-32
  • 2.2.4 球差矫正透射电镜32-34
  • 2.2.5 薄膜转移台34
  • 2.2.6 四探针台34-35
  • 2.3 实验相关微加工技术35-41
  • 2.3.1 光学曝光35-37
  • 2.3.2 电子束曝光(EBL)37-39
  • 2.3.3 反应离子刻蚀(RIE)39
  • 2.3.4 电子束蒸镀39-40
  • 2.3.5 溶脱40-41
  • 2.4 本章小结41-43
  • 第三章 六方氮化硼上外延生长单层二硫化钼43-59
  • 3.1 引言43
  • 3.2 在六方氮化硼上外延生长单层二硫化钼43-48
  • 3.2.1 生长二硫化钼43-46
  • 3.2.2 六方氮化硼上单层二硫化钼晶粒形状演化机制46-48
  • 3.3 二硫化钼稳态及AFM操纵48
  • 3.4 二硫化钼/六方氮化硼异质结的透射电镜表征48-54
  • 3.4.1 二硫化钼与六方氮化硼之间转角测量48-49
  • 3.4.2 二硫化钼晶粒缝合处的原子结构49-54
  • 3.5 二硫化钼/六方氮化硼光谱表征54
  • 3.6 六方氮化硼上单层二硫化钼薄膜的电学特性54-57
  • 3.6.1 转移石墨烯电极及器件封装54-55
  • 3.6.2 器件转移输出特性55-57
  • 3.7 本章小结57-59
  • 第四章 晶圆尺寸单层二硫化钼连续薄膜的外延生长59-79
  • 4.1 引言59-60
  • 4.2 实验思想60
  • 4.3 2英寸化学气相沉积系统设计与搭建60-64
  • 4.4 2英寸晶圆尺寸单层二硫化钼连续薄膜的生长64-67
  • 4.4.1 2英寸单晶蓝宝石衬底准备64-65
  • 4.4.2 2英寸晶圆尺寸单层二硫化钼连续薄膜的生长65-67
  • 4.5 2英寸单层二硫化钼连续薄膜的表征67-75
  • 4.5.1 AFM表征67-69
  • 4.5.2 光谱表征69-71
  • 4.5.3 晶粒取向表征71-72
  • 4.5.4 球差透射电镜表征72-74
  • 4.5.5 角分辨光电子能谱表征74-75
  • 4.6 衬底的重复利用75-76
  • 4.7 连续薄膜的转移输出特性76-77
  • 4.8 本章小结77-79
  • 第五章 二硫化钼薄膜的图案化79-89
  • 5.1 引言79
  • 5.2 二硫化钼纳米结构加工的研究现状79-81
  • 5.3 单层二硫化钼薄膜图案化加工原理及步骤81-84
  • 5.4 各种二硫化钼图案及表征84-87
  • 5.5 本章小结87-89
  • 第六章 总结与展望89-91
  • 6.1 论文总结89-90
  • 6.2 展望90-91
  • 参考文献91-101
  • 个人简历及科研成果101-103
  • 致谢103-105

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