具有预定宽度的原子层金属二硫属元素化物的直接图案化生长方法与流程

本公开整体涉及一种生长金属二硫属元素化物原子层的图案的方法。

背景技术：

鉴于摩尔工业定律(moore’slawofindustry)(即，致密集成电路中的晶体管数量每两年增加一倍)，必须继续按比例缩小电子器件以满足日益增长的需求。然而，通常利用的光刻工艺受到掩模分辨率问题(一般约10nm-15nm)和/或所需的合成后加工(例如，用各种物质涂覆和转印到其他基底上)的限制，这不可避免地导致了对单层及其固有特性的污染。

最近，金属二硫属元素化物原子层已经由于其有前途的光电和催化特性，尤其是在新一代电路的情境下，变成了密集研究的主题。然而，目前没有用于制备具有低纳米级宽度的单层带的可靠方法，该低纳米级宽度对于当前需求可为期望的。

技术实现要素：

本公开涉及一种生长具有预定宽度(尤其是低于五纳米的宽度)的金属二硫属元素化物(尤其是过渡金属二硫属元素化物)原子层的图案的方法。该方法可包括以下步骤：提供基底；在该基底上提供碳纳米结构的对准图案；提供与该碳纳米结构的图案的至少两个单独部分接触的金属；将盐层沉积在该基底和该碳纳米结构的图案上；电阻加热该碳纳米结构的图案以去除该碳纳米结构的图案和沉积在该碳纳米结构的图案上的盐，其中去除该碳纳米结构的图案和沉积在该碳纳米结构的图案上的盐提供与剩余的盐层对应的盐图案；以及在该盐图案上生长金属二硫属元素化物原子层，其中该金属二硫属元素化物原子层是以具有预定宽度的对准图案提供的。本公开还涉及通过如本文所述的方法提供的金属二硫属元素化物图案和该金属二硫属元素化物图案的使用方法。

附图说明

图1示出了根据本公开的方面的示例性基底，该示例性基底具有沉积在其上的碳纳米结构的对准条带。

图2示出了根据本公开的方面的金属的示例，该金属被提供为与碳纳米结构的图案的至少两个单独部分接触。

图3示出了根据本公开的方面的沉积在基底和碳纳米结构的图案上的盐层的示例。

图4示出了根据本公开的方面的电网络。

图5示出了根据本公开的方面的基底，该基底具有基底材料的图案和金属二硫属元素化物原子层的图案。

图6a示出了根据本公开的方面的生长碳纳米结构的对准图案的示例性方法。

图6b示出了根据本公开的方面的生长碳纳米结构的对准图案的示例性方法。

具体实施方式

本公开涉及一种生长具有预定宽度(尤其是低于五纳米的宽度)的金属二硫属元素化物(尤其是过渡金属二硫属元素化物)原子层的图案的方法。该方法可包括以下步骤：提供基底；在该基底上提供碳纳米结构的对准图案；提供与该碳纳米结构的图案的至少两个单独部分接触的金属；将盐层沉积在该基底和该碳纳米结构的图案上；电阻加热该碳纳米结构的图案以去除该碳纳米结构的图案和沉积在该碳纳米结构的图案上的盐，其中去除该碳纳米结构的图案和沉积在该碳纳米结构的图案上的盐提供与剩余的盐层对应的盐图案；以及在该盐图案上生长金属二硫属元素化物原子层，其中该金属二硫属元素化物原子层是以具有预定宽度的对准图案提供的。本公开还涉及通过如本文所述的方法提供的金属二硫属元素化物图案和该金属二硫属元素化物图案的使用方法。

该方法可包括提供基底。根据一些方面，基底可以是适用于根据如本文所述的方法使用的任何惰性材料。根据本公开可用的基底的示例包括但不限于包含或由以下物质组成的基底：sio2、si、c面蓝宝石(c-sapphire)、氟金云母、srtio3、h-bn，或它们的组合。应当理解的是，在sio2基底在本文中被描述为示例性基底的情况下，作为对该基底的补充或替代，可以使用任何合适的基底。

该方法可包括在基底上提供碳纳米结构的对准图案。如本文所用，术语“图案”是指材料的配置形状。根据一些方面，碳纳米结构的对准图案可包括碳纳米结构的对准“条带”，另选地在本文中称为“带状物”或“带”。如本文所用，术语“对准的”是指这样的对准，其中两个或更多个图案被取向为在它们之间提供大致恒定的距离。例如，图1示出了基底11，诸如sio2基底，该基底具有沉积在其上的碳纳米结构的对准条带12。根据一些方面，碳纳米结构的对准条带12可提供为从基底11的大致第一端部16延伸至基底11的大致第二端部17。如图1所示，将碳纳米结构的对准条带12中的第一条带121与该对准条带中的第二条带122对准，使得第一条带121与第二条带122之间的距离15沿基底的长度13为大致恒定的。根据一些方面，图案可水平地对准。应当理解的是，在本公开的上下文中，尤其是在图1的上下文中，术语“水平”仅是指基底的长度13，也就是说大于基底的宽度14的尺寸。然而，术语“水平”、“竖直”、“长度”和“宽度”不一定限制碳纳米结构的图案和/或基底在空间中的取向。还应当理解的是，虽然本文的附图示出了具有长度13大于宽度14的矩形形状的示例性基底，但是该基底可具有可接受与如本文所述的方法一起使用的任何形状，包括但不限于多边形形状(三角形、正方形、五边形、六边形等)、椭圆形(圆形、卵形等)，以及它们的组合。

如本文所用，术语“纳米结构”是指在纳米级上具有至少一个尺寸，即，至少在介于约0.1nm和100nm之间的维度上的结构。应当理解，“纳米结构”包括但不限于纳米片、纳米管、纳米粒子(例如多面体纳米粒子)、纳米球、纳米线、纳米立方体、以及它们的组合。纳米片可包括具有纳米级厚度的片。纳米管可包括具有纳米级直径的管。纳米粒子可包括其中其每个空间维度均在纳米级上的粒子。根据一些方面，碳纳米结构可包括铜纳米管，包括但不限于单壁纳米管(swnt)、多壁纳米管(mwnt)，以及它们的组合。swnt和/或mwnt可具有介于约0.1nm与100nm之间，任选地介于约0.1nm与50nm之间，任选地介于约0.1nm与25nm之间，任选地介于约0.1nm与10nm之间，任选地介于约0.1nm与5nm之间，以及任选地约1nm的直径。应当理解的是，碳纳米结构的对准图案可通过本领域已知的与本公开兼容的任何手段提供在基底上，该手段包括但不限于化学气相沉积(cvd)。例如，碳纳米结构的对准图案可通过以下方式提供在基底上：在基底上提供催化剂颗粒的胶态分散体，以及通过cvd在催化剂颗粒的胶态分散体上生长碳纳米结构；和/或在基底上提供催化剂前体颗粒的胶态分散体，加热该催化剂前体颗粒以形成催化剂颗粒，以及通过cvd在该催化剂颗粒上生长碳纳米结构。

图6a示出了如本文所述的生长碳纳米结构的对准图案的示例性方法。具体地，图6a示出了基底61，该基底具有设置在其第一端部63附近的催化剂颗粒62。在该示例中，碳源气体可任选地与诸如惰性气体等载气一起提供。碳源气体和/或惰性气体可以足够的流率提供，使得碳纳米结构64的生长在选定的方向上前进，例如朝向基底61的第二端部65。足够的流率的示例包括但不限于至少1000sccm，任选地至少2000sccm，以及任选地至少3000scm。以此方式，可提供碳纳米结构64的对准图案，该图案从基底61的第一端部63延伸到基底61的第二端部65。应当理解的是，在每个催化剂颗粒62上可生长一个纳米结构。另选地，在每个催化剂颗粒62上可生长两个或更多个纳米结构。

图6b示出了如本文所述的生长碳纳米结构的对准图案的另一示例性方法。类似于图6a所示的示例，图6b中所示的示例可包括在基底61的第一端部63附近提供催化剂66。如图6b所示，催化剂66可包括催化剂材料的薄膜条带，例如厚度介于约5nm与20nm之间的膜。然后可在惰性环境中对催化剂材料66的薄膜条带进行热处理，以提供离散的催化剂颗粒62，类似于图6a所示的催化剂颗粒62。然后，该方法可如关于图6a所述进行，也就是说，碳源气体和任选的载气可以足够的流率提供，使得碳纳米结构64的生长在选定的方向上前进，例如朝向基底的第二端部65。

根据一些方面，可如本文所述使用掩模在基底上提供催化剂材料的薄膜条带。在该示例中，可去除掩模，并且可如本文所述对催化剂材料的薄膜条带进行热处理以提供催化剂颗粒。附加地或另选地，可使用光刻工艺在基底上提供催化剂材料的薄膜条带和/或催化剂颗粒。

根据本公开可用的碳源的示例包括但不限于烃类、醇、酯、酮、芳族化合物、醛类，以及它们的组合。例如，碳源可选自二甲苯、丙烷、丁烷、丁烯、乙烯、乙醇、一氧化碳、丁二烯、戊烷、戊烯、甲烷、乙烷、乙炔、二氧化碳、萘、己烷、环己烷、苯、甲醇、丙醇、丙烯、商业燃料气体(诸如液化石油气、天然气等)，以及它们的组合。

根据本公开可用的惰性气体的示例包括但不限于包含氦(he)、氡(rd)、氖(ne)、氩(ar)、氙(xe)、氮(n)、以及它们的组合的气体。

如本文所述的催化剂材料可以是本领域已知的与根据本公开使用兼容的任何催化剂，包括包含fe、ni、co、mo、cu、pt、pd、ru、au、ag、w以及它们的合金的材料。

该方法可包括提供与碳纳米结构的图案的至少两个单独部分接触的金属。根据一些方面，可使用掩模(例如，仅暴露碳纳米结构的图案的至少两个单独部分的掩模)和/或光刻工艺来提供金属。如本文所述，根据本公开的金属可包括能够形成具有至少电压源和碳纳米结构的电网络的金属。根据本公开的可用金属的示例包括但不限于镍(ni)、钛(ti)、铜(cu)、金(au)，以及它们的组合。

图2示出了金属示例，该金属示例提供为与碳纳米结构的图案的至少两个单独部分接触。具体地，图2示出了基底11，该基底具有沉积在其上的碳纳米结构的对准条带12，如关于图1所述。图2还示出了彼此分开的第一金属部分21和第二金属部分22。如图2所示，第一金属部分21和第二金属部分22两者均接触碳纳米结构的对准条带12，例如分别位于或靠近基底11的第一端部16和第二端部17。应当理解的是，第一金属部分21和第二金属部分22可包含相同或不同的金属，只要它们均包含如本文所述的至少一种金属即可。如本文所述，第一金属部分21和第二金属部分22中的一者或两者还可具有布线23，该布线能够形成具有电压源、金属部分和碳纳米结构的电网络。布线可包括如本文所述的金属，该金属可与第一金属部分21和/或第二金属部分22包含的一种或多种金属相同或不同。

该方法可包括在基底和碳纳米结构的图案上沉积盐。如本文所用，术语“盐”是指具有(多个)阳离子和(多个)阴离子的电中性离子化合物。根据本公开有用的盐的示例包括但不限于钠盐和钾盐，诸如nabr、nacl、kbr、kcl，以及它们的组合。应当理解的是，虽然在本文中使用nabr作为示例性盐，但作为nabr的补充或替代，可使用任何合适的盐。

图3示出了沉积在基底和碳纳米结构的图案上的盐层的示例。具体地，图3示出了基底11，该基底具有沉积在其上的碳纳米结构的对准条带12，如关于图1和图2所述。图3还示出了覆盖基底和碳纳米结构的图案12的一部分的盐层31。根据一些方面，盐层可以覆盖基底11和/或碳纳米结构的图案12的表面区域的至少约50％、任选地至少约60％、任选地至少约70％、任选地至少约80％、任选地至少约90％，以及任选地至少约100％。应当理解的是，盐层是通过本领域已知的与本公开兼容的任何手段而设置在基底和/或碳纳米结构的图案上，该手段包括但不限于热沉积。

该方法可包括电阻加热碳纳米结构的图案，以去除该碳纳米结构的图案和沉积在该碳纳米结构的图案上的盐层的部分。如本文所用，术语“电阻加热”是指其中电流通过导体产生热量的过程。根据一些方面，电阻加热可通过形成由如本文所述的部件中的一个或多个部件构成的电网络来执行。例如，图4示出了由电压源41、金属部分21和22、布线23和碳纳米结构(在图4中未示出)形成的电网络，如本文所述。当电流流过电网络时，可产生热量，该热量可例如通过蚀刻碳纳米结构的图案中的一些或全部图案来移除碳纳米结构的图案和沉积在该碳纳米结构的图案上的盐(例如，碳纳米结构的图案12和沉积在该碳纳米结构的图案上的盐层31的部分，如图3所示)。如本文所用，术语“蚀刻”是指腐蚀材料的过程。例如，蚀刻碳纳米结构可包括在存在氧气的情况下通过电阻加热来氧化碳纳米结构，从而导致碳纳米结构的腐蚀。在另一示例中，蚀刻碳纳米结构可包括在真空或惰性气氛中分解和/或蒸发碳纳米结构。根据一些方面，该方法可包括电阻加热碳纳米结构的图案，以便实现碳纳米结构的完全蚀刻，也就是说，去除碳纳米结构的图案的至少约90％、任选地至少约95％，以及任选地至少约100％。

如图4所示，作为电阻加热的结果，可去除大致全部的碳纳米结构的图案和沉积在该碳纳米结构的图案上的盐(例如，碳纳米结构的图案12和沉积在该碳纳米结构的图案上的盐层31的部分，如图3所示)。因此，可使基底材料的图案42显露。应当理解的是，基底材料的图案42对应于在电阻加热期间去除的碳纳米结构的图案。如图4所示，基底11还可在其上包括盐图案43。应当理解的是，盐图案43对应于如关于图3所述的剩余盐层31，也就是说，盐层31的在电阻加热期间未去除的部分。因此，盐图案可对应于在电阻加热期间去除的碳纳米结构的图案12，并且具体地可对应于基底11的在该方法的先前步骤中未被碳纳米结构的图案12覆盖的区域。

应当理解的是，在其中碳纳米结构的图案12包括条带的情况下，盐图案43将包括宽度与在碳纳米结构的图案12之间的距离相对应的条带。例如，图4示出了具有宽度44的盐条带45。该宽度可对应于图1所示的第一条带121与第二条带122之间的距离15。如图4所示，如本文所述盐图案43因此可包括对准的“条带”，其中每个条带具有预定宽度。根据一些方面，每个盐条带的宽度可以不超过约50nm、任选地不超过约25nm、任选地不超过约10nm、任选地不超过约7nm、任选地不超过约5nm，以及任选地不超过约1nm。

该方法还可包括在盐图案上生长金属二硫属元素化物原子层。根据本公开可用的金属二硫属元素化物的示例包括但不限于二硫化钼(mos2)、二硒化钼(mose2)、二硫化钨(ws2)，以及它们的组合。金属二硫属元素化物原子层可通过本领域已知的与本公开兼容的任何手段在盐图案上生长。例如，可通过将金属氧化物和硫属元素热共沉积到盐图案上而在该盐图案上生长金属二硫属元素化物原子层。例如，在其中金属二硫属元素化物包括mos2的情况下，可将二氧化钼(moo2)与硫(s)热共沉积到盐图案上。通过使用二氧化钨(wo2)和/或三氧化钨(wo3)作为如本文所述的金属氧化物和/或通过使用硒(se)作为如本文所述的硫属元素，金属二硫属元素化物可包括ws2和/或mose2。

根据一些方面，金属二硫属元素化物原子层可根据2018年12月12日提交的美国专利申请号16/217,845中所述的方法在盐图案上生长，该美国专利的公开内容以引用方式全文并入本文。应当理解的是，美国专利申请号16/217,845还公开了可用于提供如本文所述的金属二硫属元素化物原子层的至少一部分的示例性材料。

应当理解的是，金属二硫属元素化物原子层的图案将对应于它们在其上生长的盐图案。例如，图5示出了如图4所示的基底11，也就是说，具有在电阻加热期间显露的基底材料的图案42的基底11。图5还示出了在盐图案(未示出)上生长的金属二硫属元素化物原子层的图案51。金属二硫属元素化物原子层的图案51可对应于如图4所示的盐图案43，并且具体地可包括如本文所述的对准的“条带”，其中每个条带具有预定宽度。根据一些方面，每个条带的宽度可以不超过约50nm、任选地不超过约25nm、任选地不超过约10nm、任选地不超过约7nm、任选地不超过约5nm，以及任选地不超过约1nm。

本公开还涉及具有预定宽度的金属二硫属元素化物原子层的图案，如本文所述。具体地，金属二硫属元素化物原子层的图案可包括mos2、mose2、ws2或它们的组合的带，其中每个带的宽度不超过约50nm、任选地不超过约25nm、任选地不超过约10nm、任选地不超过约7nm、任选地不超过约5nm，以及任选地不超过约1nm。本公开还涉及包括如本文所述的金属二硫属元素化物原子层的图案的电路。

如本文所用，术语“约”被定义为接近如本领域的普通技术人员所理解的那样。在一个非限制性实施方案中，术语“约”被定义为在10％内，优选地在5％内，更优选地在1％内，并且最优选地在0.5％内。

本书面描述使用示例来公开本发明，包括优选实施方案，并且还使本领域任何技术人员能够实践本发明，包括制备和使用任何装置或系统并且执行任何结合在其中的方法。本发明的可专利范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例具有与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言没有实质差异的等同结构元件，则这些其他示例意图在权利要求的范围内。本领域的普通技术人员可以混合和匹配来自所描述的各种实施方案的方面以及每个此类方面的其他已知等效物，以根据本申请的原理构造附加实施方案和技术。

虽然已经结合上述示例性方面描述了本文所述的各方面，但各种替代方案、修改形式、变型形式、改进形式和/或基本等同形式(无论已知的还是目前不可预见的)对于至少本领域普通技术人员而言可变得显而易见。因此，如上所述的示例性方面旨在是示例性的而非限制性的。在不脱离本公开的实质和范围的情况下可进行各种改变。因此，本公开旨在涵盖所有已知的或后来开发的替代方案、修改形式、变型形式、改进形式和/或基本等同形式。

除非特别说明，否则以单数形式提及要素并非旨在表示“一个(种)且仅一个(种)”，而是“一个(种)或多个(种)”。本领域普通技术人员已知或以后将已知的各个方面的要素的所有结构和功能等同物均明确地以引用方式并入本文。此外，本文所公开的内容均不旨在奉献给公众。

此外，词语“示例”用于本文意指“用作示例、实例或例证”。本文描述为“示例”的任何方面均不必要被理解为比他方面优选或有利。除非另外特别说明，否则术语“一些”是指一个或多个。组合诸如“a、b或c中的至少一者”、“a、b和c中的至少一者”和“a、b、c或它们的任何组合”包括a、b和/或c的任何组合，并且可包括a的倍数、b的倍数或c的倍数。具体地，组合诸如“a、b或c中的至少一者”、“a、b和c中的至少一者”和“a、b、c或它们的任何组合”可以为仅a、仅b、仅c、a和b、a和c、b和c、或a和b和c，其中任何此类组合均可包含a、b或c中的一个或多个成员。

此外，本专利申请中的所有参考文献，例如专利文献，包括已公布或已授予的专利或等同物；专利申请公布；以及非专利文献文档或其它来源材料；据此全部内容以引用方式并入本文，如同单独以引用方式并入一样。