一种过渡金属硫族化合物垂直异质结及其制备方法与流程

本发明涉及半导体材料与二维薄膜异质结制备，尤其涉及一种过渡金属硫族化合物垂直异质结及其制备方法。

背景技术：

1、过渡金属硫族化合物（transition metal dichalcogenides, tmds）因其优异且可调的半导体、光电及力学性能，在下一代电子器件、光电器件及能源催化等领域展现出广阔的应用前景。将不同种类的二维tmd材料通过范德华力垂直堆叠，形成的异质结不仅能够保留各组分的本征特性，还可通过界面耦合产生新的物理现象，是拓展二维材料功能的重要途径。

2、目前，制备高质量tmd薄膜的有效策略之一是盐辅助化学气相沉积（cvd）法。该方法通过在生长过程中引入钠盐等助剂，可显著降低反应能垒，促进高结晶性tmd薄膜的生长。然而，利用该方法生长的tmd薄膜，在其与生长衬底（如sio2/si）的界面处，通常会不可避免地残留一层水溶性的离子盐类物质（例如na2so4、na2seo4等）。这层残留盐一方面会恶化tmd材料的电学性能，另一方面，其水溶性也为薄膜的转移提供了便利，即无需使用氢氟酸等强腐蚀性刻蚀液，仅通过水浴处理即可使薄膜与衬底分离。

3、在利用上述盐辅助cvd法生长的tmd材料构建垂直异质结时，现有技术中普遍采用聚甲基丙烯酸甲酯（pmma）辅助的湿法转移策略。该方法通常需要将不同种类的tmd薄膜逐层转移并堆叠。但该工艺存在一个关键的技术难题：当采用“pmma+水中转移”的方法分别处理两种tmd组分时，第一层tmd的表面在转移过程中容易残留pmma等有机污染物。当第二层tmd与之堆叠时，这些污染物会被夹在异质结的界面处，阻碍两种材料形成原子级洁净的接触，从而严重降低异质结的界面质量和器件的整体性能。

4、因此，如何在利用盐辅助cvd法生长材料易于水中转移这一优势的同时，有效避免异质结界面处离子残留和有机物残留的双重污染问题，实现原子级洁净界面的垂直异质结的构建，是本领域技术人员亟待解决的技术难题。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种过渡金属硫族化合物垂直异质结的制备方法，旨在解决现有技术中因界面离子残留和有机残留导致异质结质量下降的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明提供一种过渡金属硫族化合物垂直异质结的制备方法，包括以下步骤：

3、s1、制备第一叠层结构：

4、通过盐辅助cvd法在第一衬底的表面制备第一tmd薄膜，所述第一衬底与第一tmd薄膜之间形成第一水溶性离子残留层，得到第一叠层结构，所述第一叠层结构包括依次层叠的所述第一tmd薄膜、第一水溶性离子残留层、第一衬底；

5、s2、制备第二叠层结构：

6、通过盐辅助cvd法在第二衬底的表面制备第二tmd薄膜，所述第二衬底与所述第二tmd薄膜之间形成第二水溶性离子残留层，然后在所述第二tmd薄膜背离所述第二衬底的表面制备支撑层，接着置于去离子水中进行第一次水浴转移去除所述第二水溶性离子残留层，使所述第二tmd薄膜与所述第二衬底分离，得到第二叠层结构，所述第二叠层结构包括依次层叠的所述支撑层、第二tmd薄膜；

7、s3、制备第三叠层结构：

8、将所述第一叠层结构、第二叠层结构层叠置于同一非水液体中，抽走所述非水液体，得到第三叠层结构，所述第三叠层结构包括依次层叠的所述支撑层、第二tmd薄膜、第一tmd薄膜、第一水溶性离子残留层、第一衬底；

9、s4、制备第四叠层结构：

10、将所述第三叠层结构置于去离子水中进行第二次水浴转移去除所述第一水溶性离子残留层，使所述第一tmd薄膜与所述第一衬底分离得到叠层结构，所述叠层结构包括依次层叠的所述支撑层、第二tmd薄膜、第一tmd薄膜，将所述叠层结构转移至第三衬底的表面得到第四叠层结构，所述第四叠层结构包括依次层叠的所述支撑层、第二tmd薄膜、第一tmd薄膜、第三衬底；

11、s5、制备第五叠层结构：

12、去除所述第四叠层结构中的支撑层得到第五叠层结构，所述第五叠层结构包括依次层叠的第二tmd薄膜、第一tmd薄膜、第三衬底。

13、在本发明的一些实施例中，制备所述第一tmd薄膜、第二tmd薄膜的材料包括硫族元素前驱体和金属元素前驱体。

14、在本发明的一些实施例中，所述金属元素前驱体包括na2moo4、na2wo4、moo3与nacl的混合物、wo3与nacl的混合物中的至少一种。

15、在本发明的一些实施例中，所述硫族元素前驱体包括s、se、zns、znse中的至少一种。

16、在本发明的一些实施例中，所述支撑层包括pmma。

17、在本发明的一些实施例中，所述支撑层的制备工艺为：将制备所述支撑层的材料溶解到溶剂中得到支撑层前驱体溶液，将所述支撑层前驱体溶液旋涂到所述第二tmd薄膜背离所述第二衬底的表面，随后加热去除所述溶剂。

18、在本发明的一些实施例中，所述非水液体包括异丙醇、正己烷、正庚烷中的至少一种。

19、在本发明的一些实施例中，去除所述支撑层的方式为蒸汽熏蒸法

20、或，去除所述支撑层的方式为有机溶剂浸泡法，所述有机溶剂包括丙酮、苯甲醚中的一种或多种。

21、在本发明的一些实施例中，所述衬底包括sio2/si、蓝宝石、云母、石英中的至少一种。

22、本发明还提供一种过渡金属硫族化合物垂直异质结，所述过渡金属硫族化合物垂直异质结通过如上所述的过渡金属硫族化合物垂直异质结的制备方法制备得到。

23、本发明所能实现的有益效果：

24、（1）实现异质结界面的原子级洁净接触：在本发明中，第一tmd薄膜在堆叠前始终未被支撑层材料涂覆，其表面保持原始洁净状态，第二tmd薄膜在第一次水转移后，其下表面的第二水溶性离子残留层已被完全去除，当两者在非水液体中贴合时，形成的是第二tmd薄膜洁净下表面与第一tmd薄膜洁净上表面的直接物理接触，异质结界面处无任何支撑层材料的残留，有效保证了两种tmds材料之间的原子级紧密耦合，实现异质结界面的原子级洁净接触，有利于提升异质结的界面质量和器件性能。

25、（2）解决了离子残留控制的时序矛盾：本发明巧妙利用了“非水液体”与“水”的分步组合策略。先进行第一次水浴转移去除第二tmd薄膜底部的第二水溶性离子残留层，再在非水液体中进行第二tmd薄膜与第一tmd薄膜的垂直堆叠，非水液体保护了第一tmd薄膜底部的第一水溶性离子残留层不被提前溶解而导致其从自身生长衬底脱离，再进行第二次水转移定向去除第一tmd薄膜第一水溶性离子残留层。如此，本发明突破了传统单一水转移工艺中“堆叠”与“除盐”无法兼顾的技术瓶颈，既保留了盐辅助cvd法水中易转移的便捷性，又通过分步操作彻底消除了最终产物中所有界面的不良残留物，解决了离子残留控制的时序矛盾。

26、（3）工艺安全且兼容性强：整个转移过程无需使用氢氟酸（hf）、氢氧化钾（koh）等强腐蚀性或毒性刻蚀液，对环境友好，操作安全性高。同时，所用的材料例如支撑层的材料、非水液体的等级具有可选性，可选择半导体微纳加工领域的标准试剂，与现有cmos工艺和实验室研究条件高度兼容，易于推广和应用。