具有1T’结构相的单原胞层二硫化钨薄膜及其制备方法

具有1t’结构相的单原胞层二硫化钨薄膜及其制备方法
技术领域
1.本发明属于二维材料制备技术领域，更具体地说，涉及一种在单原胞层二硫化钨的生长过程中，实现具有亚稳1t’结构相的单原胞层二硫化钨薄膜的控制生长方法。


背景技术：

2.自从在实验上实现石墨烯的制备以来，二维材料的研究受到了极其广泛的关注。石墨烯在电子结构、机械强度、稳定性等多个方面都表现出独特的性能。在电子输运方面，虽然石墨烯具有非常大的载流子迁移率，但是其本身是个零能隙的半导体，在传统半导体应用领域受到很多限制；另一方面，在最初的量子自旋霍尔效应(也称为二维拓扑绝缘体)理论研究中，量子自旋霍尔效应材料的二维体电子态具有能隙，是一种绝缘体(半导体)。而在量子自旋霍尔效应绝缘体的一维边缘存在一种特殊的、且受到时间反演对称性保护的金属性边缘态。该边缘态中的电子具有自旋-动量锁定的特性，也就是说沿确定方向运动的电子其自旋方向也是严格确定的，沿着相反方向运动的电子，其自旋方向严格相反。因此，可以简单地通过对电子流动方向的控制来实现对自旋的选择控制。
3.受石墨烯结构的启发，近年来人们对具有类似石墨烯结构的其他二维材料的结构稳定性、电子能带结构以及拓扑态特性开展了一系列的研究。在这些新材料体系中，理论预期具有1t’结构相的单原胞层二硫化钨(1t
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ws2)的自旋-轨道耦合效应较大，有望成为探索基于大能隙量子自旋霍尔效应器件的理想材料体系之一。但由于单层的1t
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ws2是个非稳定相，在实验中尚未成功制备。而目前制得的单元胞层的ws2往往是稳定的2h结构相(2h-ws2)。因此，制备具有1t’结构相的单原胞层ws2和相变研究成为了实现二维拓扑绝缘体实用化的关键步骤之一。
4.现有采用分子束外延技术制备单原胞层1t
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ws2薄膜时，硫源原料为硫单质，但由于硫单质天然在室温下具有极高的饱和蒸汽压，会破坏超高真空生长环境、损坏真空泵组，需要采用具有微漏阀和束流裂解功能的特种蒸发源，例如采用德国mbe-komponenten gmbh公司的valved sulfur cracker source vcs-300蒸发源(https://www.mbe-komponenten.de/products/mbe-components/valved-sources/vcs.php)，其针对硫的可控蒸发，设计了vcs阀控式硫磺裂解器源，可用于第vi族半导体薄膜的生长。但该蒸发源价格昂贵，采用该法制备单原胞层1t
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ws2薄膜设备成本极高，且目前尚无能够替代上述特种蒸发源的国产热蒸发源。如何能够打破分子束外延技术制备单原胞层1t
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ws2薄膜中设备的限制，能够低成本地规模化生产亚稳定相的1t
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ws2薄膜，成为本领域研究人员亟待解决的技术难题。


技术实现要素：

5.1.要解决的问题
6.针对亚稳定相的1t
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ws2在实验室和工业上制备成本高的问题，本发明提供了一种具有1t’结构相的单原胞层ws2薄膜的制备方法，以及调控其1t’相比例的控制方法，该方
法突破现有技术中的硫蒸发源限制，采用普通标准蒸发源即可得到具有1t’结构相的单原胞层ws2薄膜，使得系统性、规模化的选择性生产具有1t’结构相的单原胞层ws2成为了可能。
7.2.技术方案
8.为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
9.本发明第一方面提供一种具有1t’结构相的单原胞层二硫化钨薄膜的制备方法，包括在超高真空条件下，在衬底上，硫采用硫化亚铁为原料通过热蒸发源提供，控制衬底的温度，生长具有1t’亚稳结构相的单原胞层1t
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ws2薄膜的步骤。其中，以硫化亚铁为原料的热蒸发源，为具有温度控制(例如pid(proportion integral differential)自动化温度控制)、集成水冷、束流遮门功能的普通分子束外延标准蒸发源(例如knudsen cell)，相比于mbe-komponenten gmbh公司的valved sulfur cracker source vcs系列蒸发源，采用本发明方法，微漏阀和束流裂解功能不再成为蒸发源的必要功能。也就是说，采用不具备微漏阀和束流裂解功能的国产的普通标准热蒸发源，同样可以通过分子束外延生长技术成功制备具有1t’结构相的单原胞层二硫化钨薄膜，尤其是制备100％单一1t’结构相的单原胞层1t-ws2薄膜，并可以调控生长出来薄膜中的1t
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ws2和2h-ws2两个相的相对比例，此类材料的制备不再依赖于昂贵的进口特种蒸发源。
10.作为本发明第一方面任一技术方案的优选，方法具体包括在超高真空条件下，在srtio3(100)晶片衬底上，硫采用硫化亚铁为原料通过热蒸发源提供，钨采用直径约1.5mm的钨棒通过电子束蒸发源提供，控制srtio3(100)晶片衬底的温度，生长具有1t’亚稳结构相的单原胞层1t
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ws2薄膜的步骤。
11.作为本发明第一方面任一技术方案的优选，所述硫化亚铁蒸发源温度设置为780
±
2℃。
12.作为本发明第一方面任一技术方案的优选，所述硫化亚铁热蒸发源的升温速率为5～20℃/min，特别优选升温速率为10℃/min。
13.作为本发明第一方面任一技术方案的优选，控制钨源束流和硫束流的比例为1:10～1:15。
14.作为本发明第一方面任一技术方案的优选，所述衬底为srtio3(100)晶片，控制srtio3(100)晶片衬底的温度为340～360℃，得到100％单一1t’结构相的单原胞层1t-ws2薄膜。
15.作为本发明第一方面任一技术方案的优选，所述衬底为srtio3(100)晶片，控制srtio3(100)晶片衬底的温度为360～480℃，不包含360℃本数，得到具有部分1t’结构相的单原胞层ws2薄膜，非1t’结构相的部分为常见的稳定2h-ws2结构相。更优选地，通过调节生长过程中srtio3(100)晶片衬底的温度，可以调控生长出来薄膜的1t
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ws2和2h-ws2两个相的相对比例。
16.作为本发明第一方面任一技术方案的优选，所述srtio3(100)晶片衬底为单面抛光的srtio3(100)晶片，所述单面抛光的srtio3(100)晶片经过在超高真空环境中通直流电加热至600℃除气2小时，再加热到950℃，并在该温度下退火1小时处理得到。
17.作为本发明第一方面任一技术方案的优选，调节所述钨的电子束蒸发源的加速电压与热电子丝电流，使钨原子束流稳定在35～55na中的某一个值。更优选地，所述钨的电子束蒸发源的加速电压为2000v，热电子丝的电流设置为5.5a，加热功率设置为70瓦左右，使
钨原子束流稳定在50na。
18.作为本发明第一方面任一技术方案的优选，所述单原胞层生长速率约为80～120分钟每单原胞层。
19.作为本发明第一方面任一技术方案的优选，生长100％单一1t’结构相单原胞层1t
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ws2薄膜或部分1t’结构相的单原胞层ws2薄膜的步骤具体包括：
20.s1在超高真空条件下处理srtio3(100)晶片，得到清洁的srtio3(100)晶片衬底；
21.s2设置硫化亚铁热蒸发源温度(优选设置为780
±
2℃)和钨电子束蒸发源的加热功率，保持钨束流和硫束流的比例，且保持稳定的钨束流；
22.s3控制srtio3(100)晶片衬底的温度，开始在srtio3(100)晶片衬底表面生长100％单一1t’结构相单原胞层1t
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ws2薄膜或部分1t’结构相的单原胞层ws2薄膜；
23.s4退火得到干净样品。
24.作为本发明第一方面具体步骤的优选，所述步骤s4的退火步骤包括首先关闭钨源，使样品在硫的氛围下退火10分钟；之后关闭硫化亚铁热蒸发源，再将样品的温度降至室温。
25.作为本发明第一方面任一方案的优选，实现上述方法的装置包括红外光学测温仪、电子束蒸发源、热蒸发源和程控电流源，所述样品和蒸发源均位于超高真空腔体内，程控电流源用于样品的温度自动化控制。所述超高真空是指真空腔体的背底真空低于5
×
10-10
mbar。
26.优选地，所述样品表面的实际温度通过红外光学测温仪结合程控电源实现自动化温度控制(专利号zl201820763323.x)测定，所述光学测温仪为lumasense公司的photrix红外测温仪，测量精度高(0.01℃)，可测量范围广(135℃～2400℃)，响应速度快(1ms)，可以精确并迅速地测量样品表面的实际温度。
27.优选地，所述的电流源为普源精电dp811a程控电流源。输出电流值准确度高(0.5ma)，响应迅速(50μs)，可以结合pid控制技术实现精准快速地控制样品的实际加热功率，实现样品温度和升降温速率的精准控制(专利号zl201820763323.x)。
28.优选地，所述钨电子束蒸发源为德国specs surface nano analysis gmbh公司的ebe-1型电子束蒸发源(钨源)。钨源使用具有束流监控功能的电子束加热蒸发源，通过高能电子聚焦轰击高纯度(99.95％)的直径约1.5mm的钨棒来产生纯净的钨束流。
29.优选地，所述硫化亚铁蒸发源为常州国成科学仪器有限公司的标准蒸发源(硫源)。高纯硫束流是通过标准热蒸发源来热解高纯度硫化亚铁(99.95％)粉末原料来产生的。
30.本发明第二方面还提供一种单一2h结构相的单原胞层ws2薄膜的制备方法，在srtio3(100)晶片衬底上，硫采用以硫化亚铁为原料通过热蒸发源提供，钨采用钨棒通过电子束蒸发源提供，控制srtio3(100)晶片衬底的温度在480～500℃之间(不包含480℃)，生长单一纯相的2h-ws2单原胞层薄膜。
31.本发明第三方面提供第一方面和第二方面任一方案所述的生长方法制备得到的100％单一1t’结构相的单原胞层1t
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ws2薄膜、1t
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ws2和2h-ws2混合相薄膜或单一纯相的2h-ws2单原胞层薄膜。
32.3.有益效果
33.相比于现有技术，本发明的有益效果为：
34.(1)本发明在采用普通标准蒸发源(热蒸发源)的条件下，通过硫源原料的选择，采用硫化亚铁作为原料，不依赖特种蒸发源，成功制备出100％单一1t’结构相的单原胞层1t
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ws2薄膜或具有1t’结构相的单原胞层混合相ws2薄膜，突破了现有分子束外延技术中采用硫单质制备单原胞层1t
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ws2薄膜时必须采用特种蒸发源的限制；本发明方法拓展了新型二维材料的制备工艺、降低了获得单原胞层1t
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ws2薄膜的成本；进一步地，通过将硫化亚铁蒸发源温度的设置为780
±
2℃，成功达到了在生长过程中提供稳定硫束源的目的，所得到的单原胞层1t
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ws2薄膜缺陷少，相结构稳定单一，品质高；
35.(2)本发明调节生长过程中srtio3(100)晶片衬底的温度为340～360℃时，由于外延二硫化钨薄膜与srtio3衬底间的范德华尔兹力较强，导致系统总能发生变化，使得1t’结构的变得相对更为稳定，因此生长出了100％具有单一1t’结构相的单原胞层1t
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ws2薄膜；
36.(3)本发明调节生长过程中srtio3(100)晶片衬底的温度为480～500℃(不包含480℃)时，由于更高的温度与更强的热扰动打破了原先增强的外延薄膜与衬底的范德华尔兹结合力，使得2h相结构变得相对更为稳定，因此生长出了100％具有单一2h结构相的单原胞层ws2薄膜；
37.(4)本发明通过调节生长过程中的srtio3(100)衬底温度介于360～480℃(不包含360℃)时，由于外延薄膜与衬底间相互作用力与热扰动相互竞争的原因，可以调控ws2生长出来的1t
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ws2和2h-ws2两个相的相对比例，调控方式简单、方便、高效，不需要额外增加成本；
38.(5)本发明采用分子束外延的材料生长方式得到的单一1t’结构相单原胞层ws2薄膜或具有1t’结构相单原胞层ws2薄膜，具有缺陷少、可精确调控样品生长速度的优势。
附图说明
39.图1为本发明实施例1中的设备原理示意图；
40.图2为实施例1中1t’结构相单原胞层ws2在srtio3上的堆叠与晶格取向情况；
41.图3为实施例1中单一1t’结构相单原胞层ws2的反射式高能电子衍射图和扫描隧道显微镜表征的形貌图；
42.图4为实施例1中单一1t’结构相单原胞层ws2的布里渊区γ点附近的角分辨光电子能谱图；
43.图5为实施例中不同生长温度得到的单一1t’结构相、1t’和2h混合相、单一2h相的单原胞层ws2扫描隧道显微镜形貌图；
44.图6为实施例中单一结构相1t
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ws2、1t’/2h混合相ws2以及单一结构相2h-ws2的角分辨光电子能谱图；
45.图7为实施例中单一结构相1t
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ws2、1t’/2h混合相ws2以及单一结构相2h-ws2的x射线光电子能谱图。
具体实施方式
46.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项
目的任意的和所有的组合。
47.实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
48.如本文所使用，术语“约”用于提供与给定术语、度量或值相关联的灵活性和不精确性。本领域技术人员可以容易地确定具体变量的灵活性程度。
49.温度、电流、量和其他数值数据可以在本文中以范围格式呈现。应当理解，这样的范围格式仅是为了方便和简洁而使用，并且应当灵活地解释为不仅包括明确叙述为范围极限的数值，而且还包括涵盖在所述范围内的所有单独的数值或子范围，就如同每个数值和子范围都被明确叙述一样。例如，约1至约4.5的数值范围应当被解释为不仅包括明确叙述的1至约4.5的极限值，而且还包括单独的数字(诸如2、3、4)和子范围(诸如1至3、2至4等)。相同的原理适用于仅叙述一个数值的范围，诸如“小于约4.5”，应当将其解释为包括所有上述的值和范围。此外，无论所描述的范围或特征的广度如何，都应当适用这种解释。
50.下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。
51.实施例1
52.本实施例通过分子束外延技术生长出100％单一1t’结构相的单原胞层ws2。
53.如图1，首先构建一种超高真空下单原胞层ws2外延薄膜的生长系统；包括红外光学测温仪、钨电子束蒸发源、硫化亚铁热蒸发源和程控电流源，样品和蒸发源位于超高真空腔体内，程控电流源用于样品的pid温度自动化控制。
54.样品表面的实际温度通过红外光学测温仪结合程控电源实现自动化温度控制(专利号zl2018 2 0763323.x)测定，光学测温仪为lumasense公司的photrix红外测温仪。程控电流源为普源精电dp811a程控电流源。
55.本实施例中蒸发源为德国specs surface nano analysis gmbh公司的ebe-1型电子束蒸发源(钨源)，和常州国成科学仪器有限公司的标准热蒸发源(硫源)。钨源使用具有束流监控功能的电子束加热蒸发源，通过高能电子聚焦轰击高纯度(99.95％)的直径1.5mm的钨棒来产生纯净的钨束流；高纯硫束流是通过标准热蒸发源加热分解高纯度硫化亚铁(99.95％)粉末原料来产生。高纯度硫化亚铁(99.95％)粉末原料购买自上海谱幂精密仪器科技有限公司(prmat)。
56.本发明中对于热蒸发源没有特别限制，只要满足具有温度控制(例如pid温度控制)、集成水冷、束流遮门功能即可，例如可以采用费勉仪器科技(上海)有限公司公司ec2mt型号热蒸发源、中科艾科米(北京)科技有限公司rhe35型号热蒸发源等均可实现发明目的。
57.制备样品时，首先在超高真空条件下处理srtio3(100)晶片，在超高真空环境中对srtio3(100)晶片通直流电加热至600℃除气2小时，再加热到950℃，并在该温度下退火1小时处理得到清洁的srtio3(100)晶片衬底；
58.将硫蒸发源温度以10℃每分钟的速率升温至780℃，钨电子束蒸发源的加速电压调节至2000v，热电子丝的电流设置为5.5a，加热功率设置为70瓦左右，使钨原子束流稳定在50na。此时，钨源束流和硫束流的比例约为1：12，所以富硫氛围下的生长速率完全由钨原子束流控制，控制生长速率约在100分钟每单原胞层。
59.将处理后的srtio3(100)衬底的温度控制在350℃，先后打开硫化亚铁蒸发源和钨蒸发源的挡板，开始生长100％纯1t’结构相的单原胞层的ws2薄膜，生长50分钟后，关闭钨
源，使样品在富硫的氛围下退火10分钟。而后关闭硫蒸发源(即硫化亚铁蒸发源)，再将样品的温度降至室温，得到干净的样品：即单原胞层1t
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ws2纯相薄膜。
60.图2为制备得到的1t’结构相单原胞层ws2在srtio3上的堆叠与晶格取向情况；通过反射式高能电子衍射仪和扫描隧道显微镜来观察其表面形貌与晶体结构(图3及图5a)，可以看到1t
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ws2所特有的电子衍射峰与均一的单原胞层1t’结构相特征厚度(0.60nm)，确认其晶体结构、取向与层厚与图2中单原胞层1t
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ws2晶体结构、取向与层厚一致。
61.通过角分辨光电子能谱仪观察其电子能带结构，仅能观测到1t
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ws2所特有的能带结构，无2h-ws2的能带结构特征，确保其为纯净单一的1t’结构相，如图4及图6a。
62.通过x射线光电子能谱仪观察其元素核心能级，仅能观测到两个钨的4f5/2与4f7/2轨道电子结合能位于34.0ev和31.8ev，两个硫的2p3/2和2p1/2轨道电子结合能位于162.5ev和161.4ev，确保其为纯净的1t’结构相，如图7。
63.需要说明的是，在其它一些实施例中，生长过程中将处理后的srtio3(100)衬底的温度控制在340～360℃之间的某一温度，钨源束流和硫束流的比例约为1:10～1:15之间，单原胞层生长速率约为80～120分钟每单原胞层时，能够得到纯净单一的1t’结构相。
64.实施例2
65.与实施例1不同在于，通过分子束外延技术生长出100％单一2h结构相的单原胞层ws2。
66.如图1，首先构建一种超高真空下单ws2外延薄膜的生长系统；包括红外光学测温仪、钨电子束蒸发源、硫化亚铁热蒸发源和程控电流源，样品和蒸发源位于超高真空腔体内，程控电流源用于样品的pid温度自动化控制。制备装置的具体结构与实施例1中相同，仅实验条件不同。
67.srtio3(100)晶片衬底的处理步骤与实施例1中相同。
68.将硫蒸发源温度以10℃每分钟的速率升温至780℃，钨电子束蒸发源的加速电压调节至2000v，热电子丝的电流设置为5.5a，加热功率设置为70瓦左右，使钨原子束流稳定在50na。此时，钨源束流和硫束流的比例约为1:12，所以富硫氛围下的生长速率完全由钨原子束流控制，控制生长速率约在100分钟每单原胞层。
69.将处理后的srtio3(100)衬底的温度控制为490℃，打开钨和硫蒸发源的挡板，开始生长100％纯2h结构相的单原胞层ws2薄膜，生长50分钟后，关闭钨源，使样品在硫的氛围下退火10分钟。而后关闭硫蒸发源，再将样品的温度降至室温，得到干净的样品：即单原胞层2h-ws2纯相薄膜。
70.通过扫描隧道显微镜观测其形貌及晶体结构(图5g及图5h)，仅能看到单原胞层2h结构相特征厚度(0.85nm)，其晶体结构为2h结构相。
71.通过角分辨光电子能谱仪观察其电子能带结构，仅能观测到2h-ws2所特有的半导体性质的单一能带结构，无1t
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ws2的能带结构特征，确保其为纯净的2h结构相，如图6c。
72.通过x射线光电子能谱仪观察其元素核心能级，仅能观测到两个钨的4f5/2与4f7/2轨道电子结合能位于35.6ev和33.4ev，两个硫的2p3/2和2p1/2峰位于164.2ev和163.1ev，确保其为纯净的2h结构相，如图7。
73.需要说明的是，在其它一些实施例中，生长过程中将处理后的srtio3(100)衬底的温度控制在480～500℃之间(不包含480℃)的某一温度，钨源束流和硫束流的比例约为1:
10～1:15之间，单原胞层生长速率约为80～120分钟每单原胞层时，能够得到纯净的2h结构相。
74.实施例3
75.与实施例1和2不同在于，通过分子束外延技术生长1t
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ws2和2h-ws2的混合相。本实施例中制备设备的具体结构与实施例1中相同，仅实验条件不同。
76.srtio3(100)晶片衬底的处理步骤与实施例1中相同。将硫蒸发源温度以10℃每分钟的速率升温至780℃，钨电子束蒸发源的加速电压调节至2000v，热电子丝的电流设置为5.5a，加热功率设置为70瓦左右，使钨原子束流稳定在50na。此时，钨源束流和硫束流的比例约为1:12，所以富硫氛围下的生长速率完全由钨原子束流控制，控制生长速率约在100分钟每单原胞层。
77.将处理后的srtio3(100)衬底的温度控制为440℃，打开钨和硫蒸发源的挡板，开始生长单原胞层的ws2薄膜，生长50分钟后，关闭钨源，让样品硫的氛围下退火10分钟。而后关闭硫蒸发源，再将样品的温度降至室温，得到干净的样品：单原胞层1t
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ws2和2h-ws2的混合相薄膜。
78.通过扫描隧道显微镜观测其形貌(图5d及图5e)，可以同时看到单原胞层1t’结构相和2h结构相的特征厚度(0.60nm和0.85nm)，1t’结构相的比例约为50％。
79.通过角分辨光电子能谱仪观察其电子能带结构，可以同时观测到1t
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ws2与2h-ws2的能带结构信息，确保其为1t
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ws2和2h-ws2的混合相薄膜，如图6b。
80.通过x射线光电子能谱仪观察其元素核心能级，可以同时观测到四个钨的4d峰，其中位于34.0ev和31.8ev的峰来自于1t
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ws2，位于35.6ev和33.4ev的峰来自于2h-ws2，确保其为1t
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ws2和2h-ws2的混合相薄膜，通过峰包面积的对比，可以确定1t’结构相的占比约为50％，如图7。
81.需要说明的是，在其它一些实施例中，生长过程中将处理后的srtio3(100)衬底的温度控制在360～480℃之间(不包含360℃)的某一温度，钨源束流和硫束流的比例约为1:10～1:15之间，单原胞层生长速率约为80～120分钟每单原胞层时，能够得到1t
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ws2和2h-ws2的混合相薄膜，可以通过调节srtio3(100)衬底的温度，得到不同比例1t
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ws2和2h-ws2的混合相薄膜。
82.实施例4
83.本实施其他条件与实施例3中相同，区别在于样品在srtio3(100)衬底上的生长温度为380℃，最终得到具有1t’结构相的单原胞层ws2薄膜，区别仅在于同时存在少量的2h相ws2，1t’相占比约为95％(图5b)。
84.实施例5
85.本实施其他条件与实施例3中相同，区别在于样品在srtio3(100)衬底上的生长温度为410℃，最终得到具有1t’结构相的单原胞层ws2薄膜，区别仅在于同时存在一定量的2h相ws2，1t’相占比约为70％(图5c)。
86.实施例6
87.本实施其他条件与实施例3中相同，区别在于样品在srtio3(100)衬底上的生长温度为480℃，最终得到具有1t’结构相的单原胞层ws2薄膜，区别仅在于同时存在大量的2h相ws2，1t’相占比约为10％(图5f)。
88.实施例7
89.本实施其他条件与实施例2中相同，区别在于样品在srtio3(100)衬底上的生长温度为500℃，生长时间约为60分钟，最终得到单一2h纯相的单原胞层ws2薄膜。区别仅在于由于生长时间略长，薄膜的覆盖度略高(图5i)。
90.以上内容是对本发明及其实施方式进行了示意性的描述，该描述没有限制性，实施例中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的实施方式并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种具有1t’结构相的单原胞层二硫化钨薄膜的制备方法，其特征在于，包括在超高真空条件下，硫采用以硫化亚铁为原料通过热蒸发源提供，控制衬底的温度，生长具有1t’亚稳结构相的单原胞层1t
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ws2薄膜的步骤。2.根据权利要求1所述的具有1t’结构相的单原胞层二硫化钨薄膜的制备方法，其特征在于，所述热蒸发源温度设置为780
±
2℃。3.根据权利要求2所述的具有1t’结构相的单原胞层二硫化钨薄膜的制备方法，其特征在于，所述热蒸发源的升温速率为5～20℃/min。4.根据权利要求2所述的具有1t’结构相的单原胞层二硫化钨薄膜的制备方法，其特征在于，控制钨源束流和硫束流的比例为1:10～1:15。5.根据权利要求2所述的具有1t’结构相的单原胞层二硫化钨薄膜的制备方法，其特征在于，所述衬底为srtio3(100)晶片，控制srtio3(100)晶片衬底的温度为340～360℃，得到100％单一1t’结构相的单原胞层1t-ws2薄膜。6.根据权利要求2所述的具有1t’结构相的单原胞层二硫化钨薄膜的制备方法，其特征在于，所述衬底为srtio3(100)晶片，控制srtio3(100)晶片衬底的温度为360～480℃，不包含360℃，得到具有部分1t’结构相的单原胞层ws2薄膜。7.根据权利要求2所述的具有1t’结构相的单原胞层二硫化钨薄膜的制备方法，其特征在于，生长100％单一1t’结构相单原胞层1t
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ws2薄膜或部分1t’结构相的单原胞层ws2薄膜的步骤具体包括：s1在超高真空条件下处理srtio3(100)晶片，得到清洁的srtio3(100)晶片衬底；s2设置硫化亚铁热蒸发源温度和钨电子束蒸发源的加热功率，保持钨束流和硫束流的比例，且保持稳定的钨束流；s3控制srtio3(100)晶片衬底的温度，开始在srtio3(100)晶片衬底表面生长100％单一1t’结构相单原胞层1t
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ws2薄膜或部分1t’结构相的单原胞层ws2薄膜；s4退火得到干净样品。8.根据权利要求7所述的具有1t’结构相的单原胞层二硫化钨薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤s4的退火步骤包括首先关闭钨源，使样品在硫的氛围下退火10分钟；之后关闭硫化亚铁热蒸发源，再将样品的温度降至室温。9.根据权利要求7所述的具有1t’结构相的单原胞层二硫化钨薄膜的制备方法，其特征在于，通过调节生长过程中srtio3(100)晶片衬底的温度，可以调控生长出来薄膜的1t
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ws2和2h-ws2两个相的相对比例。10.采用权利要求1～9中任意一项所述的制备方法制备得到的100％单一1t’结构相的单原胞层1t
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ws2薄膜或1t
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ws2和2h-ws2混合相薄膜。

技术总结
本发明公开了一种超高真空腔体环境下通过分子束外延技术手段生长具有1T’结构相的单原胞层二硫化钨薄膜及其制备方法。方法包括在超高真空条件下，硫采用硫化亚铁为原料通过热蒸发源提供，控制衬底的温度，生长具有1T’亚稳结构相的单原胞层1T


技术研发人员：张翼 田启超
受保护的技术使用者：南京大学
技术研发日：2023.06.27
技术公布日：2023/9/23