一種利用mpcvd制備碳化鉬晶體時(shí)鉬的引入方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于二維晶體制備領(lǐng)域。一種利用MPCVD制備碳化鉬晶體時(shí)鉬的引入方法，其特征在于包括如下步驟：第一步，首先將硅片進(jìn)行超聲波清洗，然后將清洗后的硅片放入基片臺(tái)上，基片臺(tái)位于腔體內(nèi)，對(duì)腔體抽真空；第二步，向腔體通入氫氣和甲烷，調(diào)節(jié)氣體流量、微波功率和氣壓，使氣體吸收微波能量產(chǎn)生等離子體；第三步，打開脈沖電源，調(diào)節(jié)腔體中鉬電極和基片臺(tái)之間的電壓，使鉬電極和基片臺(tái)之間產(chǎn)生弧光放電，調(diào)節(jié)脈沖的時(shí)間控制弧光的產(chǎn)生時(shí)間；第四步，待反應(yīng)結(jié)束后，關(guān)閉脈沖電源，待腔體內(nèi)腔室冷卻后，取出樣品，得到碳化鉬晶體。該方法解決了微波等離子體化學(xué)氣相沉積法(MPCVD)中鉬引入較難的問題，并且能夠較好的控制鉬的攝入量，獲得較純的碳化鉬晶體。
【專利說明】
一種利用MPCVD制備碳化鉬晶體時(shí)鉬的引入方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于二維晶體制備領(lǐng)域，具體涉及一種利用微波等離子體化學(xué)氣相沉積法(MPCVD)制備碳化鉬晶體時(shí)鉬的引入方法。
【背景技術(shù)】
[0002]過渡族金屬碳化物(TMCs)由碳原子在金屬晶格中與金屬原子結(jié)合，是一類結(jié)合金屬和陶瓷特性的材料。一方面，TMCs表現(xiàn)出極高的強(qiáng)度和硬度，較高的熔點(diǎn)和穩(wěn)定性，耐酸堿腐蝕，較高的電導(dǎo)和熱導(dǎo)率，以及低化學(xué)反應(yīng)活性；另一方面，TMCs表現(xiàn)出類似貴金屬的催化活性。此外，碳化鉬(Mo2C),碳化鎢(W2C)，碳化鉭(TaC)等表現(xiàn)出低溫超導(dǎo)特性。
[0003]目前，制備碳化鉬晶體時(shí)鉬的引入方法主要分為三類:第一類通過還原鉬的氧化物，得到碳化鉬粉末，該方法工藝過程簡(jiǎn)單，成本低廉，反應(yīng)過程易于控制，但得到的產(chǎn)物中存在含碳組分，含碳組分將大大影響碳化鉬的性能;第二類使用磷鉬酸，鉬酸銨，氯化鉬等鉬鹽，該方法大多用于制備碳化鉬和其他材料的復(fù)合;第三類使用有機(jī)鉬源，如六羰基鉬等。通過上述的鉬引入方法，可以制備出碳化鉬粉末和晶體，但得到的碳化鉬卻存在諸多缺點(diǎn)，如:含碳組分的影響，晶粒尺寸較小，薄膜難以剝離，碳化鉬粉末團(tuán)聚等問題。因此，需要提供一種鉬的引入方法，通過控制反應(yīng)體系中鉬的攝入，來實(shí)現(xiàn)鉬與含碳基團(tuán)的結(jié)合，從而制備高質(zhì)量的碳化鉬單晶和粉末。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種利用MPCVD制備碳化鉬晶體時(shí)鉬的引入方法，該方法解決了微波等離子體化學(xué)氣相沉積法(MPCVD)中鉬引入較難的問題，并且能夠較好的控制鉬的攝入量，獲得較純的碳化鉬晶體。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案:一種利用MPCVD制備碳化鉬晶體時(shí)鉬的引入方法，其特征在于包括如下步驟:
[0006]第一步，首先將硅片進(jìn)行超聲波清洗，然后將清洗后的硅片放入基片臺(tái)上，基片臺(tái)位于腔體內(nèi)(硅片也位于腔體的腔室內(nèi))，對(duì)腔體抽真空至真空度為0.1-1OPa;
[0007]第二步，向腔體通入氫氣和甲烷(氫氣和甲烷的體積配比為30:1-200:1)，調(diào)節(jié)氣體流量、微波功率和氣壓，使氣體(氫氣和甲烷)吸收微波能量產(chǎn)生等離子體(微波等離子體)；
[0008]第三步，打開脈沖電源，調(diào)節(jié)腔體中鉬電極和基片臺(tái)之間的電壓，使鉬電極和基片臺(tái)之間產(chǎn)生弧光放電，調(diào)節(jié)脈沖的時(shí)間控制弧光的產(chǎn)生時(shí)間(為間歇式)；在硅片上引入了鉬；
[0009]第四步，待反應(yīng)結(jié)束后，關(guān)閉脈沖電源，待腔體內(nèi)腔室冷卻后，取出樣品，得到碳化鉬晶體。
[0010]所述第一步中超聲波清洗為用丙酮或乙醇溶劑進(jìn)行超聲波清洗(超聲的功率為50W、頻率為 40KHz)。
[0011]所述第二步中微波等離子體產(chǎn)生的工藝參數(shù)如下:氫氣流量為:100-400SCCm，甲烷流量為:0.5-10sccm，微波功率為800-1200W，工作氣壓為10-25kPa。
[0012]所述第三步中產(chǎn)生弧光放電的工藝參數(shù)如下:鉬電極與基片臺(tái)之間的電壓:300-600V，產(chǎn)生電弧的時(shí)間為0.1-1Os，不產(chǎn)生電弧的時(shí)間為1-1Os，總時(shí)間6h(間歇式)。
[0013]本發(fā)明首次采用微波等離子體化學(xué)氣相沉積法(MPCVD)，MPCVD法使用微波作為能量源，該方法具有微波能量強(qiáng)，功率密度高等優(yōu)點(diǎn)，使得氣相組分能夠獲得較高的能量，增加氣體離化幾率，但是MPCVD制備碳化鉬必須需要液態(tài)或氣態(tài)的鉬源，查閱相關(guān)資料液態(tài)或氣態(tài)鉬源較少，這給MPCVD制備碳化鉬帶來了限制。本發(fā)明通過對(duì)鉬靶材施加高壓直流脈沖產(chǎn)生電弧放電來引入鉬。電弧放電一方面為鉬靶表面原子蒸發(fā)提供了較高溫度;另一方面，等離子體中的帶電粒子對(duì)鉬靶也起到轟擊作用，進(jìn)一步促進(jìn)了鉬的引入。
[0014]本發(fā)明具有如下有益效果:本發(fā)明在兩電極之間產(chǎn)生電弧放電加熱鉬使其蒸發(fā)，蒸發(fā)后的鉬與微波等離子體中的含碳基團(tuán)反應(yīng)生成碳化鉬，本發(fā)明解決了 MPCVD制備碳化鉬中液態(tài)鉬源或氣態(tài)鉬源較少的難題。制得的碳化鉬晶體的純度較高(質(zhì)量純度為296%)0
【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明制備碳化鉬晶體的裝置的示意圖。
[0016]圖2是本發(fā)明制備的碳化鉬晶體的XRD譜圖。
[0017]圖3是本發(fā)明制備的碳化鉬晶體的低溫超導(dǎo)磁性測(cè)試曲線圖。
[0018]圖1中:卜鉬電極;2-基片臺(tái)；3-硅片;4-腔體;5-脈沖電源;6_微波等離子體;7_電弧;8-上金屬法蘭;9-下金屬法蘭；10-橡膠密封圈，11-壓縮矩形波導(dǎo)。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)一步對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說明，但本發(fā)明的內(nèi)容不僅僅局限下面的實(shí)施例。
[0020]如圖1所示，本發(fā)明下述實(shí)施例中所采用的制備碳化鉬晶體的裝置，包括腔體4、鉬電極1、基片臺(tái)2、脈沖發(fā)生器、微波發(fā)生器，鉬電極I和基片臺(tái)2位于腔體4的腔室內(nèi)，鉬電極I位于基片臺(tái)2的上方，鉬電極I和基片臺(tái)2分別由導(dǎo)線與脈沖發(fā)生器的輸出端相連，腔體4由上金屬法蘭8、下金屬法蘭9與壓縮矩形波導(dǎo)相連，壓縮矩形波導(dǎo)11與微波發(fā)生器相連;腔體4上設(shè)有進(jìn)氣口和抽進(jìn)氣口。
[0021 ] 腔體4包括石英玻璃管、上金屬法蘭8、下金屬法蘭9(構(gòu)成腔室)，上金屬法蘭8位于石英玻璃管的上端，上金屬法蘭8與石英玻璃管之間設(shè)有橡膠密封圈10，下金屬法蘭9位于石英玻璃管的下端，上金屬法蘭8與石英玻璃管之間設(shè)有橡膠密封圈10，鉬電極I固定在上金屬法蘭8上(鉬電極I連同上金屬法蘭一起拿開，然后在基片臺(tái)2上放硅)。
[0022]實(shí)施例1
[0023]—種利用MPCVD制備碳化鉬晶體時(shí)鉬的引入方法，包括如下步驟:
[0024]第一步，準(zhǔn)備制備碳化鉬晶體的裝置;首先將硅片進(jìn)行超聲波清洗(用丙酮或乙醇溶劑進(jìn)行超聲波清洗)去除油污;然后將清洗后的硅片放入基片臺(tái)上，基片臺(tái)位于腔體內(nèi)(硅片也位于腔體的腔室內(nèi))，對(duì)腔體抽真空(至真空度為0.1-1OPa);
[0025]第二步，向腔體通入氫氣和甲烷(氫氣和甲烷的體積配比為30:1-200:1)，調(diào)節(jié)氣體流量、微波功率和氣壓，使氣體(氫氣和甲烷)吸收微波能量產(chǎn)生等離子體(微波等離子體)；
[0026]微波等離子體產(chǎn)生的工藝參數(shù)如下:氫氣流量為:150sCCm，甲烷流量為:lsCCm，微波功率為800W，工作氣壓為llkPa。
[0027]第三步，打開脈沖電源，調(diào)節(jié)腔體中鉬電極和基片臺(tái)之間的電壓，使鉬電極和基片臺(tái)之間產(chǎn)生弧光放電，調(diào)節(jié)脈沖的時(shí)間控制弧光的產(chǎn)生時(shí)間(間歇式)；在硅片上引入了鉬；
[0028]產(chǎn)生弧光放電的工藝參數(shù)如下:鉬電極與基片臺(tái)之間的電壓:350V，產(chǎn)生電弧的時(shí)間為Is，不產(chǎn)生電弧的時(shí)間為5s，總時(shí)間6h(間歇式)。
[0029]第四步，待反應(yīng)結(jié)束后，關(guān)閉脈沖電源，待腔體內(nèi)腔室冷卻后，取出樣品，得到碳化鉬晶體。
[0030]圖2為本實(shí)施例制備的碳化鉬晶體的XRD譜圖，其物質(zhì)的相結(jié)構(gòu)通過與標(biāo)準(zhǔn)X射線衍射數(shù)據(jù)對(duì)比，證實(shí)為α相碳化鉬晶體。制得的碳化鉬晶體的純度較高(質(zhì)量純度為97.4%)ο
[0031]實(shí)施例2
[0032]一種利用MPCVD制備碳化鉬晶體時(shí)鉬的引入方法，包括如下步驟:
[0033]第一步，準(zhǔn)備制備碳化鉬晶體的裝置;首先將硅片進(jìn)行超聲波清洗(用丙酮或乙醇溶劑進(jìn)行超聲波清洗)去除油污;然后將清洗后的硅片放入基片臺(tái)上，基片臺(tái)位于腔體內(nèi)(硅片也位于腔體的腔室內(nèi))，對(duì)腔體抽真空(至真空度為0.1-1OPa);
[0034]第二步，向腔體通入氫氣和甲烷(氫氣和甲烷的體積配比為30:1-200:1)，調(diào)節(jié)氣體流量、微波功率和氣壓，使氣體(氫氣和甲烷)吸收微波能量產(chǎn)生等離子體(微波等離子體)；
[0035]微波等離子體產(chǎn)生的工藝參數(shù)如下:氫氣流量為:150sCCm，甲烷流量為:5sCCm，微波功率為800W，工作氣壓為llkPa。
[0036]第三步，打開脈沖電源，調(diào)節(jié)腔體中鉬電極和基片臺(tái)之間的電壓，使鉬電極和基片臺(tái)之間產(chǎn)生弧光放電，調(diào)節(jié)脈沖的時(shí)間控制弧光的產(chǎn)生時(shí)間;在硅片上引入了鉬；
[0037]產(chǎn)生弧光放電的工藝參數(shù)如下:鉬電極與基片臺(tái)之間的電壓:450V，產(chǎn)生電弧的時(shí)間為5s，不產(chǎn)生電弧的時(shí)間為5s，總時(shí)間6h(間歇式)。
[0038]第四步，待反應(yīng)結(jié)束后，關(guān)閉脈沖電源，待腔體內(nèi)腔室冷卻后，取出樣品，得到碳化鉬晶體。
[0039]圖3為本實(shí)施例制備的碳化鉬晶體的低溫超導(dǎo)磁性測(cè)試曲線，在6.83K附近出現(xiàn)了超導(dǎo)轉(zhuǎn)變，與相關(guān)報(bào)道中的7K出現(xiàn)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變接近。說明通過本方法制備的碳化鉬晶體具備一定的超導(dǎo)特性。制得的碳化鉬晶體的純度較高(質(zhì)量純度為98.5%)o
[0040]實(shí)施例3
[0041 ] 一種利用MPCVD制備碳化鉬晶體時(shí)鉬的引入方法，包括如下步驟:
[0042]第一步，準(zhǔn)備制備碳化鉬晶體的裝置;首先將硅片進(jìn)行超聲波清洗(用丙酮或乙醇溶劑進(jìn)行超聲波清洗)去除油污;然后將清洗后的硅片放入基片臺(tái)上，基片臺(tái)位于腔體內(nèi)(硅片也位于腔體的腔室內(nèi))，對(duì)腔體抽真空(至真空度為0.1-1OPa);
[0043]第二步，向腔體通入氫氣和甲烷(氫氣和甲烷的體積配比為30:1-200:1)，調(diào)節(jié)氣體流量、微波功率和氣壓，使氣體(氫氣和甲烷)吸收微波能量產(chǎn)生等離子體(微波等離子體)；
[0044]微波等離子體產(chǎn)生的工藝參數(shù)如下:氫氣流量為:150sCCm，甲烷流量為:5sCCm，微波功率為1000W，工作氣壓為I IkPa。
[0045]第三步，打開脈沖電源，調(diào)節(jié)腔體中鉬電極和基片臺(tái)之間的電壓，使鉬電極和基片臺(tái)之間產(chǎn)生弧光放電，調(diào)節(jié)脈沖的時(shí)間控制弧光的產(chǎn)生時(shí)間;在硅片上引入了鉬；
[0046]產(chǎn)生弧光放電的工藝參數(shù)如下:鉬電極與基片臺(tái)之間的電壓:450V，產(chǎn)生電弧的時(shí)間為Is，不產(chǎn)生電弧的時(shí)間為5s，總時(shí)間6h。
[0047]第四步，待反應(yīng)結(jié)束后，關(guān)閉脈沖電源，待腔體內(nèi)腔室冷卻后，取出樣品，得到碳化鉬晶體。制得的碳化鉬晶體的純度較高(質(zhì)量純度為98% )。
[0048]實(shí)施例4
[0049]—種利用MPCVD制備碳化鉬晶體時(shí)鉬的引入方法，包括如下步驟:
[0050]第一步，準(zhǔn)備制備碳化鉬晶體的裝置;首先將硅片進(jìn)行超聲波清洗(用丙酮或乙醇溶劑進(jìn)行超聲波清洗)去除油污;然后將清洗后的硅片放入基片臺(tái)上，基片臺(tái)位于腔體內(nèi)(硅片也位于腔體的腔室內(nèi))，對(duì)腔體抽真空(至真空度為0.1-1OPa);
[0051]第二步，向腔體通入氫氣和甲烷(氫氣和甲烷的體積配比為30:1-200:1)，調(diào)節(jié)氣體流量、微波功率和氣壓，使氣體(氫氣和甲烷)吸收微波能量產(chǎn)生等離子體(微波等離子體)；
[0052]微波等離子體產(chǎn)生的工藝參數(shù)如下:氫氣流量為:100sCCm，甲烷流量為:0.5sCCm，微波功率為800W，工作氣壓為I OkPa。
[0053]第三步，打開脈沖電源，調(diào)節(jié)腔體中鉬電極和基片臺(tái)之間的電壓，使鉬電極和基片臺(tái)之間產(chǎn)生弧光放電，調(diào)節(jié)脈沖的時(shí)間控制弧光的產(chǎn)生時(shí)間;在硅片上引入了鉬；
[0054]產(chǎn)生弧光放電的工藝參數(shù)如下:鉬電極與基片臺(tái)之間的電壓:300V，產(chǎn)生電弧的時(shí)間為0.1s，不產(chǎn)生電弧的時(shí)間為Is，總時(shí)間6h(間歇式)。
[0055]第四步，待反應(yīng)結(jié)束后，關(guān)閉脈沖電源，待腔體內(nèi)腔室冷卻后，取出樣品，得到碳化鉬晶體。制得的碳化鉬晶體的純度較高(質(zhì)量純度為97.1%)ο
[0056]實(shí)施例5
[0057]一種利用MPCVD制備碳化鉬晶體時(shí)鉬的引入方法(S卩，利用微波等離子體化學(xué)氣相沉積法制備碳化鉬晶體的方法)，包括如下步驟:
[0058]第一步，準(zhǔn)備制備碳化鉬晶體的裝置;首先將硅片進(jìn)行超聲波清洗(用丙酮或乙醇溶劑進(jìn)行超聲波清洗)去除油污;然后將清洗后的硅片放入基片臺(tái)上，基片臺(tái)位于腔體內(nèi)(硅片也位于腔體的腔室內(nèi))，對(duì)腔體抽真空(至真空度為0.1-1OPa);
[0059]第二步，向腔體通入氫氣和甲烷(氫氣和甲烷的體積配比為30:1-200:1)，調(diào)節(jié)氣體流量、微波功率和氣壓，使氣體(氫氣和甲烷)吸收微波能量產(chǎn)生等離子體(微波等離子體)；
[0060]微波等離子體產(chǎn)生的工藝參數(shù)如下:氫氣流量為:400sCCm，甲烷流量為:10sCCm，微波功率為1200W，工作氣壓為25kPa。
[0061]第三步，打開脈沖電源，調(diào)節(jié)腔體中鉬電極和基片臺(tái)之間的電壓，使鉬電極和基片臺(tái)之間產(chǎn)生弧光放電，調(diào)節(jié)脈沖的時(shí)間控制弧光的產(chǎn)生時(shí)間;在硅片上引入了鉬；
[0062]產(chǎn)生弧光放電的工藝參數(shù)如下:鉬電極與基片臺(tái)之間的電壓:600V，產(chǎn)生電弧的時(shí)間為10s，不產(chǎn)生電弧的時(shí)間為1-1Os，總時(shí)間6h(間歇式)。
[0063]第四步，待反應(yīng)結(jié)束后，關(guān)閉脈沖電源，待腔體內(nèi)腔室冷卻后，取出樣品，得到碳化鉬晶體。制得的碳化鉬晶體的純度較高(為98.6%)。
[0064]本發(fā)明各原料的上下限、區(qū)間取值，以及工藝參數(shù)(如氣體流量、微波功率、氣體壓強(qiáng)等)的上下限、區(qū)間取值都能實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，在此不一一列舉實(shí)施例。
[0065]為了公開本發(fā)明的目的而在本發(fā)明中選用的實(shí)施例，當(dāng)前認(rèn)為是適宜的，但是，應(yīng)了解的是，本發(fā)明旨在包括一切屬于本構(gòu)思和發(fā)明范圍內(nèi)的實(shí)施例的所有變化和改進(jìn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種利用MPCVD制備碳化鉬晶體時(shí)鉬的引入方法，其特征在于包括如下步驟: 第一步，首先將硅片進(jìn)行超聲波清洗，然后將清洗后的硅片放入基片臺(tái)上，基片臺(tái)位于腔體內(nèi)，對(duì)腔體抽真空至真空度為0.1-1OPa; 第二步，向腔體通入氫氣和甲烷，調(diào)節(jié)氣體流量、微波功率和氣壓，使氫氣和甲烷氣體吸收微波能量產(chǎn)生等離子體； 第三步，打開脈沖電源，調(diào)節(jié)腔體中鉬電極和基片臺(tái)之間的電壓，使鉬電極和基片臺(tái)之間產(chǎn)生弧光放電，調(diào)節(jié)脈沖的時(shí)間控制弧光的產(chǎn)生時(shí)間;在硅片上引入了鉬； 第四步，待反應(yīng)結(jié)束后，關(guān)閉脈沖電源，待腔體內(nèi)腔室冷卻后，取出樣品，得到碳化鉬晶體。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用MPCVD制備碳化鉬晶體時(shí)鉬的引入方法，其特征在于:所述第一步中超聲波清洗為用丙酮或乙醇溶劑進(jìn)行超聲波清洗，超聲的功率為50W、頻率為40KHz。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用MPCVD制備碳化鉬晶體時(shí)鉬的引入方法，其特征在于:所述第二步中，氫氣和甲烷的體積配比為30:1-200:1。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用MPCVD制備碳化鉬晶體時(shí)鉬的引入方法，其特征在于:所述第二步中微波等離子體產(chǎn)生的工藝參數(shù)如下:氫氣流量為:100-400sCCm，甲烷流量為:0.5-10sccm，微波功率為800-1200W，工作氣壓為10-25kPa。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用MPCVD制備碳化鉬晶體時(shí)鉬的引入方法，其特征在于:所述第三步中產(chǎn)生弧光放電的工藝參數(shù)如下:鉬電極與基片臺(tái)之間的電壓為:300-600V，產(chǎn)生電弧的時(shí)間為0.1-1Os，不產(chǎn)生電弧的時(shí)間為1-1Os，總時(shí)間是6h。
【文檔編號(hào)】C30B29/36GK105862131SQ201610390376
【公開日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年6月3日
【發(fā)明人】馬志斌, 丁康俊, 高攀, 趙洪陽, 宋修曦
【申請(qǐng)人】武漢工程大學(xué)