少层MoS2薄膜的低功率溅射沉积与晶化研究

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少层Mo S2薄膜作为一种二维半导体材料,具有1.2~1.9 e V范围内可调带隙、大的载流子迁移率、可见光范围巨大光吸收等特点,在场效应管、柔性器件、光电器件等领域具有广阔应用前景。目前,制备少层Mo S2薄膜的常见方法为化学气相沉积,该方法存在难以实现大规模制备、需多次转移以制备场效应晶体管等问题。相较而言,溅射作为一种操作简单、对衬底要求不高的薄膜制备方法,更容易达成Mo S2薄膜的大规模可控制备,并实现场效应晶体管等器件的无转移制备。本文采用低功率射频磁控溅射结合硫化的方法,在钠钙玻璃和P型(100)硅衬底上制备了Mo S2薄膜。通过拉曼光谱、紫外可见吸收光谱、45°镜面反射光谱、原子力显微镜等表征手段,系统地研究了退火工艺对钠钙玻璃衬底和P型(100)硅衬底上不同厚度Mo S2薄膜的形貌、厚度、结构、光学性质的影响,同时还探究了少层Mo S2薄膜的电学性能。主要研究结果如下:(1)采用低射频功率磁控溅射能够较为准确地控制Mo S2薄膜的厚度。本文采用15W的射频功率,在分别以2、4以及6 min的溅射时间,在钠钙玻璃衬底和P型(100)硅衬底上成功制备出层数为2层、3层以及5层的少层Mo S2薄膜。(2)光谱分析结果显示溅射沉积态Mo S2薄膜的为非晶薄膜;退火处理后转变为晶态的2H-Mo S2。原子力显微镜研究显示,钠钙玻璃与P型(100)硅衬底上的退火态薄膜为颗粒薄膜。拉曼光谱研究表明,钠钙玻璃衬底上的少层Mo S2薄膜在500~580℃下便能获得较好的结晶效果,而P型(100)硅衬底上的样品需要更高的退火温度(≥700℃)才能达到较好的结晶效果。(3)通过探究Mo S2薄膜的电学性能发现,少层Mo S2薄膜具有较高电阻率,厚度约1 nm的Mo S2薄膜在高温退火后电阻率高达10~4Ω·cm。尝试以Mo S2薄膜为沟道材料构建薄膜场效应晶体管,发现所构建的场效应晶体管对栅极电压有响应,经计算,其场效应迁移率为0.675 cm~2V-1s-1。
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