一种大面积室温铁磁性钴掺杂二硫化钼薄膜的制备方法

1.本发明涉及二维磁性材料制备领域，具体是一种大面积室温铁磁性钴掺杂二硫化钼薄膜的制备方法。


背景技术：

2.作为一种二维材料，二硫化钼具有优异的电学、光学和力学性质，有望用于制备高性能的电子器件、传感器、光电器件等。然而，由于其自然状态下缺乏磁性，限制了其在磁性学及相关领域的应用。如果能够制备大面积磁性二硫化钼薄膜材料，将大大扩展其应用领域，例如实现磁性储存、磁性传感器和磁性自旋电子学等。目前已经有很多方法能够赋予二硫化钼的室温铁磁性，例如引入应力，缺陷，掺杂磁性离子等。其中离子掺杂被认为是制备稳定磁性二硫化钼的一种最简单可靠的方法。然而，提高二维磁性材料的制备面积是目前制约其得到广泛应用的一个重要瓶颈。发展新的可以制备面积更大且具有较高质量的二维铁磁性二硫化钼薄膜，目前应用最广泛的制备二硫化钼薄膜的方法是化学气相沉积法，但是这个方法存在制备工艺复杂，成本昂贵，可重复性低，制备面积较小，缺乏可扩展性等缺点。


技术实现要素：

3.本发明要解决的技术问题是提供一种大面积室温铁磁性钴掺杂二硫化钼薄膜的制备方法，在大面积的基底上均匀、可控地沉积大面积室温铁磁性钴掺杂二硫化钼薄膜，同时保持其磁性和结构稳定性。
4.本发明的技术方案为：
5.一种大面积室温铁磁性钴掺杂二硫化钼薄膜的制备方法，具体包括有以下步骤：
6.(1)、将硅衬底在食人鱼溶液中浸泡，清洗掉硅衬底表面的有机污渍，然后在75-85℃下干燥10-15min后，备用；
7.(2)、将高纯(nh4)2mos4和钴盐溶入n,n-二甲基甲酰胺和乙二醇的混合溶剂中，进行超声处理，得混合溶液；
8.(3)、使用旋涂法将混合溶液旋涂至清洗干燥后的硅衬底上，然后在75-85℃下干燥25-35min，形成具有薄膜结构的硅片；
9.(4)、将具有薄膜结构的硅片放入管式炉中，在还原性气氛中，将炉腔温度升至450-550℃后，将具有薄膜结构的硅片推入炉腔反应区，在450-550℃下反应50-70min，完成第一步退火操作，使薄膜成型；然后将硅片移至管式炉的冷却区，将炉腔反应区的温度升至800
ꢀ‑
850℃，将还原性气氛切换至惰性气氛，并进行通硫操作，当通硫区温度升至160-180℃、炉腔反应区温度升至800-850℃时，将硅片再次推入炉腔反应区内，在800-850℃下反应25-35min，完成第二步退火操作，反应结束后，最后将硅片移出炉腔反应区冷却，即在硅片上形成大面积室温铁磁性钴掺杂二硫化钼薄膜。
10.所述的硅衬底在食人鱼溶液中浸泡45-50小时。
11.所述的钴盐选用co(no3)2或coco3。
12.所述的高纯(nh4)2mos4和钴盐的质量比为90-99:1-10。
13.所述的n,n-二甲基甲酰胺与乙二醇的混合体积比为1:1-1.1。
14.所述的还原性气氛为氩气和氢气的混合气氛，氩气和氢气的体积比为4:1；所述的还原性气氛的流速为50-100sccm、炉腔反应区的压强控制为1torr。
15.所述的惰性气氛为氩气气氛，惰性气氛的流速为50-100sccm，炉腔反应区的压强控制为常压。
16.本发明的优点：
17.本发明采用旋涂法将混合溶液大面积均匀涂覆在硅衬底上面，使得硅衬底上旋涂一层mos2的前驱体，并且在其中掺杂适量的co离子；本发明通过二步退火法，直接获得高质量大面积的室温铁磁性钴掺杂二硫化钼薄膜，摆脱了价格昂贵、实验条件苛刻的设备使用需要，省去了长时间沉积过程，节约了时间成本和价格成本，同时通过控制沉积温度和气氛，避免了晶体在高温下过度退火导致薄膜结构和磁性破坏的问题，从而获得大面积具有室温铁磁性钴掺杂的二硫化钼薄膜。
附图说明
18.图1是本发明实施例中制备的大面积室温铁磁性钴掺杂二硫化钼薄膜在1cm标尺下的光学显微镜图。
19.图2是本发明实施例中制备的大面积室温铁磁性钴掺杂二硫化钼薄膜在100um标尺下的光学显微镜图。
20.图3是本发明实施例中制备的大面积室温铁磁性钴掺杂二硫化钼薄膜的透射电镜图。
21.图4是本发明实施例中制备的大面积室温铁磁性钴掺杂二硫化钼薄膜的xrd图。
22.图5是本发明实施例中制备的大面积室温铁磁性钴掺杂二硫化钼薄膜和对比样进行vsm测试得到的m(emu/g)-h(oe)曲线图。
23.图6是本发明实施例中制备的大面积室温铁磁性钴掺杂二硫化钼薄膜进行vsm测试得到的fc-zfc曲线。
具体实施方式
24.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
25.一种大面积室温铁磁性钴掺杂二硫化钼薄膜的制备方法，具体包括有以下步骤：
26.(1)、将硅衬底在食人鱼溶液中浸泡48小时，清洗掉硅衬底表面的有机污渍，然后在80℃下干燥10min后，备用；
27.(2)、将80mg高纯(nh4)2mos4和5mg co(no3)2溶入5mldmf和5ml乙二醇的混合溶剂中，超声处理20min，得混合溶液；
28.(3)、使用旋涂法将混合溶液旋涂至清洗干燥后的硅衬底上，然后在80℃下干燥
30min，形成具有薄膜结构的硅片；
29.(4)、将具有薄膜结构的硅片放入管式炉中，在还原性气氛(ar/h2＝4/1)、流速为100sccm、1torr压力下，将炉腔温度升至500℃后，将具有薄膜结构的硅片推入炉腔反应区，在500℃下反应60min，完成第一步退火操作，使薄膜成型；第一步退火操作的目的是使(nh4)2mos4热分解生成mos2，氢气的目的起还原作用，促进(nh4)2mos4生成mos2，但是此时的mos2的结晶性较差；然后将硅片移至管式炉的冷却区，将炉腔反应区的温度升至800℃，将还原性气氛切换至惰性气氛(ar)、流速为100sccm、常压下，同时进行通硫操作(通硫的目的是为了保证mos2的结晶性更好，减少硫空位的产生)，当通硫区温度升至170℃、炉腔反应区温度升至800℃时，将硅片再次推入炉腔反应区内，在800℃下反应30min，完成第二步退火操作，反应结束后，最后将硅片移出炉腔反应区冷却，即在硅片上形成大面积室温铁磁性钴掺杂二硫化钼薄膜。
30.将制备的大面积室温铁磁性钴掺杂二硫化钼薄膜进行检测，从图1和图2中可看出，所制得的薄膜为大面积的薄膜，尺寸达到厘米级别；从图3中可以看出，所制得的薄膜是高度结晶的2h相mos2纳米片；从图4中可以看出，所制得的薄膜为纯相的mos2，且没有任何杂质峰的出现，说明co在薄膜中是没有形成co相关化合物的杂质颗粒。
31.将制备的大面积室温铁磁性钴掺杂二硫化钼薄膜和对比样(未掺杂co的二硫化钼薄膜)进行磁性能测试(vsm测试)，从图5中可以看出，所制得的薄膜表现出了优异的磁学性能，实现了本征室温铁磁性，在300k温度下，其饱和磁矩是0.1emu/g，远远高于对比样的0.007emu/g；图6显示所制得的薄膜其居里温度高于350k。
32.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种大面积室温铁磁性钴掺杂二硫化钼薄膜的制备方法，其特征在于：具体包括有以下步骤：(1)、将硅衬底在食人鱼溶液中浸泡，清洗掉硅衬底表面的有机污渍，然后在75-85℃下干燥10-15min后，备用；(2)、将高纯(nh4)2mos4和钴盐溶入n,n-二甲基甲酰胺和乙二醇的混合溶剂中，进行超声处理，得混合溶液；(3)、使用旋涂法将混合溶液旋涂至清洗干燥后的硅衬底上，然后在75-85℃下干燥25-35min，形成具有薄膜结构的硅片；(4)、将具有薄膜结构的硅片放入管式炉中，在还原性气氛中，将炉腔温度升至450-550℃后，将具有薄膜结构的硅片推入炉腔反应区，在450-550℃下反应50-70min，完成第一步退火操作，使薄膜成型；然后将硅片移至管式炉的冷却区，将炉腔反应区的温度升至800-850℃，将还原性气氛切换至惰性气氛，并进行通硫操作，当通硫区温度升至160-180℃、炉腔反应区温度升至800-850℃时，将硅片再次推入炉腔反应区内，在800-850℃下反应25-35min，完成第二步退火操作，反应结束后，最后将硅片移出炉腔反应区冷却，即在硅片上形成大面积室温铁磁性钴掺杂二硫化钼薄膜。2.根据权利要求1所述的一种大面积室温铁磁性钴掺杂二硫化钼薄膜的制备方法，其特征在于：所述的硅衬底在食人鱼溶液中浸泡45-50小时。3.根据权利要求1所述的一种大面积室温铁磁性钴掺杂二硫化钼薄膜的制备方法，其特征在于：所述的钴盐选用co(no3)2或coco3。4.根据权利要求1所述的一种大面积室温铁磁性钴掺杂二硫化钼薄膜的制备方法，其特征在于：所述的高纯(nh4)2mos4和钴盐的质量比为90-99:1-10。5.根据权利要求1所述的一种大面积室温铁磁性钴掺杂二硫化钼薄膜的制备方法，其特征在于：所述的n,n-二甲基甲酰胺与乙二醇的混合体积比为1:1-1.1。6.根据权利要求1所述的一种大面积室温铁磁性钴掺杂二硫化钼薄膜的制备方法，其特征在于：所述的还原性气氛为氩气和氢气的混合气氛，氩气和氢气的体积比为4:1；所述的还原性气氛的流速为50-100sccm、炉腔反应区的压强控制为1torr。7.根据权利要求1所述的一种大面积室温铁磁性钴掺杂二硫化钼薄膜的制备方法，其特征在于：所述的惰性气氛为氩气气氛，惰性气氛的流速为50-100sccm，炉腔反应区的压强控制为常压。

技术总结
本发明公开了一种大面积室温铁磁性钴掺杂二硫化钼薄膜的制备方法，首先将硅衬底在食人鱼溶液中浸泡清洗和干燥；将高纯(NH4)2MoS4和钴盐溶入N,N-二甲基甲酰胺和乙二醇的混合溶剂中，得混合溶液；再使用旋涂法将混合溶液旋涂至清洗干燥后的硅衬底上，然后干燥处理，形成具有薄膜结构的硅片；最后将具有薄膜结构的硅片进行二步退火处理，使得硅片上形成大面积室温铁磁性钴掺杂二硫化钼薄膜。本发明在大面积的基底上均匀、可控地沉积大面积室温铁磁性钴掺杂二硫化钼薄膜，同时保持其磁性和结构稳定性。稳定性。稳定性。


技术研发人员：谈浩 闫文盛
受保护的技术使用者：中国科学技术大学
技术研发日：2023.06.01
技术公布日：2023/9/12