磁控溅射制备二硫化钼薄膜的结构与性能研究

【摘要】：利用射频磁控溅射技术在不同参数条件下制备二硫化钼(MoS_2)薄膜,通过合理控制溅射参数,实现了对薄膜结构和性能的调控。利用扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、X射线衍射仪(XRD)、拉曼光谱仪(Raman)和X射线光电子能谱仪(XPS)等对薄膜的表面形貌、结构和组分进行了表征,利用紫外-可见光光谱仪(UV-Vis)、荧光光谱仪(PL)、霍尔效应测试仪和摩擦材料试验机等对薄膜的性能进行了测试、分析。重点研究溅射功率、沉积压强和退火温度对MoS_2薄膜组分、结构和微观形貌的影响,探索薄膜制备工艺参数、微观结构与其性能之间的内在关系,主要研究结果如下:1.研究了溅射功率对MoS_2薄膜结构和摩擦性能的影响。结果表明,随着功率增加,薄膜的结晶度逐渐提高,晶粒尺寸先增大后略有减小,摩擦系数则先减小后增大。300 W沉积的薄膜,表面致密平滑,晶粒分布均匀,摩擦系数相对最小,约为0.0863。这主要归因于光滑的表面使得初始摩擦系数较小,当大尺寸晶粒脱落时会提供滑动摩擦,降低了摩擦系数。2.研究了沉积压强对MoS_2薄膜结构和光学性能的影响。结果显示,随着压强的增大,薄膜结晶度和光学带隙均呈现先增后减的趋势,且光学带隙在1.58～1.64 eV内变化。1.0 Pa沉积的薄膜结晶度最高,平均晶粒尺寸30.35 nm,光学带隙为1.67 eV。同时发现,薄膜中微量的MoO_3杂质、MoS_2分子内较大的电负性差使得薄膜易产生缺陷,这些缺陷附近的激子能量较低,其周围能带受到调制。3.制备了大面积的MoS_2薄膜,并对其进行了高温退火处理,研究了退火温度对薄膜电学特性的影响。研究表明,随着退火温度的升高,MoS_2薄膜的结晶度逐渐增大,费米能级向价带移动。当退火温度超过900℃时,薄膜的霍尔迁移率和载流子浓度分别为4.40 cm~2/Vs和125.06×10~(20) cm~(-2),载流子类型从n型转换为p型。分析发现:MoS_2薄膜电传输的各向异性,导致在高温下其霍尔系数在负值与正值之间转换;结晶度升高增强了晶界处的接触并影响自由电子的传输;高温退火导致更多S空位出现,使得空穴传输成为薄膜的主要导电载体。