一種二硫化鎢微米結構的製備方法

2023-12-06 14:18:01

專利名稱：一種二硫化鎢微米結構的製備方法
技術領域：
本發明屬於半導體微米材料製造類，具體是一種二硫化鎢微米結構的製備方法，尤其是一種二硫化鎢微米管的製備方法。
背景技術：
無機富勒烯納米材料的奇特結構、優異性質和許多潛在應用，使其引起了全世界科學家的廣泛關注和研究興趣。二硫化鎢(WS2)通常情況下為層狀結構化合物，具有類似於石墨的結構，是WS2層沿C軸(垂直於硫化物層)的堆疊，WS2層內是金屬W原子與S原子強的共價鍵結合，而WS2層之間是靠弱的範德華力結合，此外，WS2本身作為一種半導體，在能帶工程方面具有重要的應用潛質。最近更有科學家提出可用WS2的單分子層材料製造半導體器件，或用來製造更小、能效更高的電子晶片，在下一代納米電子設備領域，將比傳統的矽材料或富勒烯更有優勢。因此，WS2納米結構一經發現，就因其獨特的微觀結構、物理性 能和在眾多領域的潛在應用而成為研究焦點。從製備方法上講，WS2納米結構的製備主要包括水熱反應法，化學氣相沉積(CVD)法，超聲振蕩法，微波輻射法，WO3還原方法等，其中比較常用的方法是水熱法和CVD方法，如Y. D. Li等(JACS)通過水熱方法製備出了 WS2納米管，但該方法製備周期長；Jifen Wu等(Material Lett.)通過水熱方法製備出了 WS2空心球，但其使用反應源價格昂貴；Yan Qiu Zhu等(Chem. Mater.)通過CVD方法製備出了 WS2納米線，但其採用的反應溫度高，且在反應過程中以H2S作為S源，有劇毒、反應汙染嚴重，MajaRemskar等用W5O14 nanowires為前驅體,在H2/H2S/Ar的混合氣體中進行硫化得到以富勒烯狀納米顆粒修飾的WS2納米管，但在反應過程中採用H2/H2S/Ar的混合氣體作為S源和載氣，H2易爆炸，H2S有劇毒。

發明內容
針對以上存在的問題，本發明的目的是提供一種簡單易行、尺寸均勻的二硫化鎢微米結構的製備方法。本發明採用如下技術方案一種二硫化鎢微米結構的製備方法，其特徵在於採用化學氣相沉積(CVD)方法，以硫脲和六氯化鎢(WCl6)為反應源，在750-950°C真空狀態下反應而得到。本發明以管式退火爐作為反應系統，反應源中，硫脲和WCl6的摩爾比保持在6:1-12:1;將硫脲和WCl6分別置於管式退火爐的恆溫區和低溫區，並抽真空排出管內的空氣；充入純度為99. 99%以上的高純氬氣，反覆充氣抽氣，將系統內的空氣徹底排出；將抽至真空的系統密封，在40-80分鐘內升溫至750-950°C，在該溫度下保溫60-120分鐘，整個反應過程中，系統一直處於真空狀態；反應完畢後，使系統自然降溫至室溫，取出樣品。本發明通過將硫脲和WCl6分別放在反應系統的恆溫區和低溫區，使WCl6反應溫度保持在750-950°C，WCl6與硫脲的溫差保持在50_150°C，利用二者的溫差使其在特定溫度下同時達到飽和蒸汽壓，產生蒸汽，進行反應。不僅具有簡單易行、環保無毒，還具有產物尺寸均勻的特點，特別是以無毒的硫脲作為S源，既降低了生產成本又減少了 H2S等S源的毒性，是一種既經濟實惠又環保的製備方法。
具體實施例方式以下結合實施例進行詳述實施例I以硫脲和WCl6為反應原料，以管式退火爐作為反應系統，製備WS2微米管。首先稱取一定量的硫脲和WCl6，使硫脲和WCl6的摩爾比為9:1。然後將其置於反應系統中，對反應系統進行抽真空，抽至IOPa左右時，向系統中充入純度為99. 99%以上的高純氬氣至I大氣壓，然後再次抽真空至10Pa，如此反覆，循環抽氣充氣三次，直至系統內空氣基本完全排除，將反應系統密封。然後將系統在50分鐘內升溫至800°C，在該溫度下生長60分鐘，然後停止加熱。整個反應過程中系統一直處於真空狀態。當系統自然降溫 至室溫後，取出樣品，進行結構和形貌表徵，反應結束後，收集產物並對所得產物進行結構和純度表徵，包括X射線衍射(XRD) Θ-2Θ掃描、場發射掃描電子顯微鏡(FESEM)觀察、選區電子衍射(SAED)分析等。其中XRD結構分析表明，所得產物為六角WS2，沒有WO3等相關的二次相出現，FESEM結果表明，所得產物為中空的微米管，管的直徑在150-300nm，壁厚在50-70nm左右，管長度為3_7um，SAED分析表明，單根管只含有W，S兩種元素，其組成比接近1:2，進一步說明所得產物為高純度的WS2。實施例2以硫脲和WCl6為反應原料，以管式退火爐作為反應系統，製備WS2微米管。首先稱取一定量的硫脲和WCl6，使硫脲和WCl6的摩爾比為7:1。然後將其置於反應系統中，對反應系統進行抽真空，抽至IOPa左右時，向系統中充入純度為99. 99%以上的高純氬氣至I大氣壓，然後再次抽真空至10Pa，如此反覆，循環抽氣充氣三次，直至系統內空氣基本完全排除，將反應系統密封。然後將系統在60分鐘內升溫至850°C，在該溫度下生長60分鐘，然後停止加熱。整個反應過程中系統一直處於真空狀態。當系統自然降溫至室溫後，取出樣品，進行結構和形貌表徵，反應結束後，收集產物並對所得產物進行結構和純度表徵，包括X射線衍射(XRD) Θ -2 Θ掃描、場發射掃描電子顯微鏡(FESEM)觀察、選區電子衍射(SAED)分析等。其中XRD結構分析表明，所得產物為六角WS2，沒有WO3等相關的二次相出現，FESEM結果表明，所得產物為中空的微米管，管的直徑在180-300nm，壁厚在50-70nm左右，管長度為4_7. 5um, SAED分析表明，單根管只含有W，S兩種元素，其組成比接近1:2，進一步說明所得產物為高純度的WS2。實施例3以硫脲和WCl6為反應原料，以管式退火爐作為反應系統，製備WS2微米管。首先稱取一定量的硫脲和WCl6,使硫脲和WCl6的摩爾比為6:1。然後將其置於反應系統中，對反應系統進行抽真空，抽至IOPa左右時，向系統中充入純度為99. 99%以上的高純氬氣至I大氣壓，然後再次抽真空至10Pa，如此反覆，循環抽氣充氣三次，直至系統內空氣基本完全排除，將反應系統密封。然後將系統在60分鐘內升溫至850°C，在該溫度下生長80分鐘，然後停止加熱。整個反應過程中系統一直處於真空狀態。當系統自然降溫至室溫後，取出樣品，進行結構和形貌表徵，反應結束後，收集產物並對所得產物進行結構和純度表徵，包括X射線衍射(XRD) Θ-2Θ掃描、場發射掃描電子顯微鏡(FESEM)觀察、選區電子衍射(SAED)分析等。其中XRD結構分析表明，所得產物為六角WS2，沒有WO3等相關的二次相出現，FESEM結果表明，所得產物為中空的 微米管，管的直徑在180-320nm，壁厚在50-70nm左右，管長度為4_8. 5um, SAED分析表明，單根管只含有W，S兩種元素，但組成比接近I. 2:1. 8，說明所得產物中S不足，在反應源中S稍微過量些有利於得到化學計量比的WS2微米管。
權利要求
1.一種二硫化鎢微米結構的製備方法，其特徵在於採用化學氣相沉積方法，以硫脲和六氯化鎢為反應源，在750-950°C真空狀態下反應而得到。
2.根據權利要求I所述的二硫化鎢微米結構的製備方法，其特徵在於反應源中硫脲和六氯化鎢的摩爾比控制在6 :1-12:1之間。
3.根據權利要求I所述的二硫化鎢微米結構的製備方法，其特徵在於反應時間為60-120 分鐘。
4.根據權利要求I所述的二硫化鎢微米結構的製備方法，其特徵在於以管式退火爐作為反應系統，六氯化鎢和硫脲分別置於管式退火爐的恆溫區和低溫區。
5.根據權利要求I所述的製備二硫化鎢微米結構的方法，其特徵在於 a)以硫脲和六氯化鎢為反應源，使硫脲和六氯化鎢的摩爾比保持在6:1-12:1，以管式退火爐作為反應系統，稱取一定量的六氯化鎢和硫脲分別置於管式退火爐的恆溫區和低溫區； b)反應源置入管式爐後，抽真空排出管內的空氣； c)充入純度為99.99%以上的高純氬氣，達到常壓後再次將反應系統抽空； d)反覆充氣抽氣三次，目的是為了將系統內的空氣徹底排出； e)將抽至真空的系統密封，在40-80分鐘內升溫至750-950°C，在該溫度下保溫60-120分鐘，整個反應過程中，系統一直處於真空狀態； f)反應完畢後，使系統自然降溫至室溫，取出樣品，進行結構和形貌表徵。
全文摘要
本發明屬於半導體微米材料製造類，具體涉及到一種二硫化鎢微米結構的製備方法，其特徵在於採用化學氣相沉積(CVD)方法，以硫脲和六氯化鎢(WCl6)為反應源，在750-950℃真空狀態下反應而得到。本發明通過將硫脲和 WCl6 分別放在反應系統的恆溫區和低溫區，使WC l6反應溫度保持在750-950℃，WCl6與硫脲的溫差保持在50-150℃，利用二者的溫差使其在特定溫度下同時達到飽和蒸汽壓，產生蒸汽，進行反應。本發明不僅具有簡單易行、環保無毒，還具有產物尺寸均勻的特點，特別是以無毒的硫脲作為S源，既降低了生產成本又減少了H2S等S源的毒性，是一種既經濟實惠又環保的製備方法。
文檔編號C01G41/00GK102897841SQ201210371179
公開日2013年1月30日 申請日期2012年9月28日 優先權日2012年9月28日
發明者李京波, 孟秀清, 李慶躍, 李凱, 池旭明, 夏建白 申請人:浙江東晶光電科技有限公司