一种将过渡金属硫族化合物与微纳光子器件集成的方法与流程

本发明属于化合物与微纳光子器件集成的方法，涉及一种将过渡金属硫族化合物与微纳光子器件集成的方法，是通过化学气相沉积方法将过渡金属硫族化合物直接生长于微纳光子器件上，构成集成器件。

背景技术：

近年来，二维层状过渡金属硫族化合物以其独特的光学、电学和光电性质在光子学、电子学以及光电领域等具有巨大的应用潜力，成为当前材料研究的热点之一。不同于石墨烯的零带隙缺陷，单层过渡金属硫族化合物具有直接带隙，且该类材料按照原子排布的不同可表现出半导体、金属以及拓扑的材料性质。因此，过渡金属硫族化合物不仅可以应用于电子学领域，如晶体管、传感器、柔性电子及逻辑电子学，还可应用于能源技术和工程材料，如太阳能电池、纳米复合材料。以二硫化钼为代表，其单层材料表现出与体材料截然不同的光学、电学性质。在光学方面，体材料的光致发光现象并不明显，而少层的二硫化钼却具有很强的光致发光性，且随着层数的减少，其光致发光性逐渐增强，当减薄至单层时可获得最强的光致发光性，因而可应用于光探测和光致发光领域(如光电探测器、光电发射器)。此外，奇数层的二硫化钼具有较强的二阶非线性光学响应，而偶数层材料满足空间反对称，无二阶非线性光学响应。此外，单层过渡金属硫族化合物的独特谷极化特性在谷电子学领域有着较好的发展前景。

为进一步优化过渡金属硫族化合物中光与物质相互耦合效率以及光响应频谱的可调谐能力，研究人员通常将过渡金属硫族化合物与微纳光子器件结合起来。微纳光子器件是一种尺度在微纳米级别的结构或材料，包括各种光学微腔、表面等离激元、超构表面或超材料等。微纳光子器件具有效尺寸小、集成度高的优点。通过将过渡金属硫族化合物与微纳光子器件集成，可以利用微纳光子结构的局域场增强、共振滤波以及对结构参数、周围环境的灵敏特性，对过渡金属硫族化合物中光与物质相互耦合进行改进和提高，并将过渡金属硫族化合物的器件应用进行拓展。如可以将过渡金属硫族化合物集成到微纳光子器件上，进而形成光电子集成芯片，以在光电子集成芯片上发挥过渡金属硫族化合物的优异光学和电学特性。目前，基于过渡金属硫族化合物与微纳光子器件的集成器件已有许多应用，如：单层二硒化钨与光子晶体微腔集成的低阈值纳米激光器；利用单层二硫化钼与表面等离激元银纳米线的复合结构实现对二次谐波的增强；以及单层二硫化钼与光子晶体微腔集成的微型有机挥发性气体传感器等。可以预见，过渡金属硫族化合物与微纳光子器件集成将成为一种趋势。

但是，如何大规模地实现过渡金属硫族化合物与微纳光子器件的集成是一项亟待解决问题。目前，惯用的集成方法主要有两种途径：一种是先利用机械剥离法制备材料，再通过微转移的技术将剥离的材料转移到微纳光子器件上来进行集成。但是这种方法存在许多不足：首先机械剥离法制备材料的效率低下，且结果具有随机性，无法重复；其次，微纳光子器件的尺度为微纳米尺度，对转移设备的精度要求很高，转移的难度大、成功率低。这些不足使得该途径只能应用于科学研究，无法实现工业上的规模制备。第二种途径则是利用化学气相沉积法生长材料，再利用湿法转移技术将生长的材料转移到微纳光子器件上。化学气相沉积法是一种可大量制备过渡金属硫族化合物的方法，该途径有效解决了机械剥离法制备材料的效率低下问题。但后续仍需要进行转移，且在湿法转移的过程中，材料需要与溶液接触，使得材料产生褶皱，且会对材料进行二次污染，从而导致材料的光学性质和电学性质受到影响。

技术实现要素：

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种将过渡金属硫族化合物与微纳光子器件集成的方法，将二者进行集成，解决现有的两种集成途径的不足。

技术方案

一种将过渡金属硫族化合物与微纳光子器件集成的方法，其特征在于利用化学气相沉积法在微纳光子器件上直接生长过渡金属硫族化合物，步骤如下：

步骤1：将过渡金属前驱物放置在石英舟内；

步骤2：将硅或氮化硅基底的微纳光子器件放置在石英舟上，作为生长衬底；

步骤3：将硫族元素前驱物置于管式炉石英管内；

步骤4、利用化学气相沉积法在微纳光子器件上直接生长过渡金属硫族化合物：在管式炉石英管中持续通入氢氩混合气体，依气流方向将石英舟放入高温管式炉的石英管内；

调整温度从室温上升到825℃，保温5分钟，随后自然降至室温，得到过渡金属硫族化合物与微纳光子器件的集成器件。

在石英管内，石英舟气体的进入方向设有另一个石英舟，石英舟内放置卤族元素前驱物。

所述从室温上升到825℃的升温速率为30℃-50℃/min。

所述管式炉石英管中持续通入100-200sccm的氢氩混合气体。

所述氩气与氢气体积比为4︰1。

所述过渡金属元素前驱物包括但不限于：过渡金属氧化物或氯化物wcl6，或是与熔融盐混合物。

所述硫族元素前驱物包括但不限于：硫族元素单质中的一种或是两种混合物。

所述过渡金属氧化物包括但不限于：wo3或moo3。

所述熔融盐包括但不限于：nacl、kcl、ki的混合物。

所述硫族元素单质包括但不限于：s、se、te中的一种或是两种混合。

有益效果

本发明提出的一种将过渡金属硫族化合物与微纳光子器件集成的方法，通过利用化学气相沉积法在微纳光子器件上直接生长过渡金属硫族化合物，可将过渡金属硫族化合物与微纳光子器件集成，且材料层数可控，光学和电学特性良好。该方法极大地优化了工艺流程，节省了工艺成本，适合于规模化生产集成有过渡金属硫族化合物的微纳光子器件。

有益效果

1.该方法使用化学气相沉积法生长过渡金属硫族化合物，生长的材料光学、电学性质良好，并且通过控制化学气相沉积系统中的温度、反应时间、前驱物量、前驱物种类、氩氢气混合比等条件，可以实现对金属硫族化合物的层数的可控制备；

2.通过在微纳光子器件上直接生长二维过渡金属硫族化合物进行集成，无需进行转移等过程，避免了转移过程中对材料的污染，极大地优化了工艺过程，节省了工艺成本，适合于规模化生产。

3.本发明采用化学气相沉积法在微纳光子器件上直接生长过渡金属硫族化合物，原料主要使用氩氢混合气体，金属前驱物和卤族元素粉末，这些原料易得，且成本低，制备过程简单。

本发明制备的过渡金属硫族化合物与微纳光子器件的集成器件，材料与微纳光子器件的贴合度更好，耦合效率高，有利于提高器件的各项性能。

附图说明

图1为实施例使用的化学气相沉积示意图。

图2为该方法制备的单层二硫化钨与氮化硅光子晶体微腔的集成器件的光学显微镜图。

图3为该方法制备的单层二硫化钨与氮化硅光子晶体微腔集成器件中单层二硫化钨的荧光光谱。

图4为该方法制备的单层二硫化钨与氮化硅光子晶体微腔集成器件中单层二硫化钨的拉曼光谱。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

实施例1：

一个单层二硫化钨与氮化硅光子晶体的集成器件，其具体步骤为：

步骤1：将三氧化钨和氯化钠混合粉末放置在第二石英舟2内；

步骤2：将硅或氮化硅基底的微纳光子器件放置在石英舟上，作为生长衬底；

步骤3：将硫粉置于管式炉石英管内；

步骤4、利用化学气相沉积法在微纳光子器件上直接生长过渡金属硫族化合物：在管式炉石英管中持续通入200sccm的氢氩混合气体，依气流方向将石英舟放入高温管式炉的石英管内；所述氩气与氢气体积比为4︰1；

调整温度，以30℃-50℃/min的升温速率从室温上升到825℃，保温5分钟，随后自然降至室温，得到过渡金属硫族化合物与微纳光子器件的集成器件。

实施例2：

步骤1：将三氧化钨和氯化钠混合粉末放置在第二石英舟2内；

步骤2：将硅或氮化硅基底的微纳光子器件放置在石英舟上，作为生长衬底；

步骤3：将硫粉置于管式炉石英管内；在石英管内，石英舟气体的进入方向设有另一个第一石英舟1，第一石英舟2内放置卤族元素前驱物；

步骤4、利用化学气相沉积法在微纳光子器件上直接生长过渡金属硫族化合物：在管式炉石英管中持续通入200sccm的氢氩混合气体，依气流方向将石英舟放入高温管式炉的石英管内；所述氩气与氢气体积比为4︰1；

调整温度，以30℃/min的升温速率从室温上升到825℃，保温5分钟，随后自然降至室温，得到过渡金属硫族化合物与微纳光子器件的集成器件。

通过上述步骤可以得到单层二硫化钨与硅/氮化硅基底的光子晶体微腔的集成器件，通过光学显微镜对其进行观察，结果如图2所示，可以观察到二硫化钨完全覆盖在光子晶体上，表明该方法成功实现了将单层二硫化钨与氮化硅光子晶体微腔相集成。图3和图4分别是该部分二硫化钨的荧光光谱和拉曼光谱，可以看出其光学性质良好，并且单层二硫化钨的发光与光子晶体腔的共振模式实现了良好的耦合。

实施例3～6：

在实施例1或2的步骤4中，改变升温速率为50℃/min或40℃/min；

实施例7～10：

在实施例1或2的步骤4中，改变在管式炉石英管中持续通入100sccm或150sccm的氢氩混合气体。

其他实施例：

改变过渡金属元素前驱物，可以是一种过渡金属氧化物(如wo3，moo3等)或氯化物(如wcl6等)，或是与熔融盐(如nacl、kcl、ki等)的混合物等，为化学气相沉积过程中提供金属元素，具体根据所生长的过渡金属硫族化合物的不同来确定。

执行上述实施例1～10的过程，得到过渡金属硫族化合物与微纳光子器件的集成器件。

改变硫族元素前驱物，可以为硫族元素单质(如s、se、te)中的一种或是两种混合，为化学气相沉积过程中提硫族具体根据所生长的过渡金属硫族化合物的不同来确定。

执行上述实施例1～10的过程，得到过渡金属硫族化合物与微纳光子器件的集成器件。

所使用的高温管式炉，可以为单温区高温管式炉或多温区高温管式炉。