实验指导书-化学气相沉积

实验十五化学气相沉积技术实验
一、实验目的
1.了解化学气相沉积制备二硫化钼的基本原理；
2.了解化学气相沉积方法制备二硫化钼薄膜材料的基本流程及注意事项；
3.对实验数据进行合理正确的分析。

二、实验仪器
该实验中用到的主要实验仪器设备以及材料有：干燥箱、CVD系统、电子天平、超声清洗机，去离子水机等，现将主要设备介绍如下：
1.CVD生长系统
本实验所用CVD生长系统由生长设备，真空设备，气体流量控制系统三部分组成，简图如下
图1 CVD设备简图
2.电子天平
本实验所用电子天平采用电磁力平衡被称物体重力原理进行称量，特点是称量准确可靠、显示快速清晰并且具有自动检测系统、简便的自动校准装置以及超载保护等装置。

在本实验中电子天平主要用于精确称量药品，称量精度可精确到小数点后第五位。

三、实验原理
近年来，各国科学工作者对化学气相沉积进行了大量的研究，并取得一定的显著成果。

例如，从气态金属卤化物（主要是氯化物）还原化合沉积制取难熔化合物粉末及各种涂层（包括碳化物、硼化物、硅化物、氮化物）的方法。

其中化学沉积碳化钛技术已十分成熟。

化学气相沉积还广泛应用于薄膜制备，主要为Bchir等使用钨的配合物Cl4 (RCN)W(NC3H5)作为制备氮化钨或者碳氮共渗薄
膜的原料—CVD前驱体；Chen使用聚合物化学气相沉积形成的涂层提供了一个有吸引力的替代目前湿法化学为主的表面改善方法。

同时，采用CVD方法制备CNTS的研究也取得很大的进展和突破，以及通过各种实验研究了不同催化剂对单壁纳米碳管的产量和质量的影响，并取得了一定的成果。

一、化学气相沉积法概述
1、化学沉积法的概念
化学气相沉积(Chemical vapor deposition，简称CVD)是反应物质在气态条件下发生化学反应，生成固态物质沉积在加热的固态基体表面，进而制得固体材料的工艺技术。

它本质上属于原子范畴的气态传质过程。

与之相对的是物理气相沉积（PVD）。

化学气相沉积是一种制备材料的气相生长方法，它是把一种或几种含有构成薄膜元素的化合物、单质气体通入放置有基材的反应室，借助空间气相化学反应在基体表面上沉积固态薄膜的工艺技术。

2、化学气相沉积法特点
(1) 在中温或高温下，通过气态的初始化合物之间的气相化学反应而形成固体物质沉积在基体上。

(2) 可以在常压或者真空条件下负压“进行沉积、通常真空沉积膜层质量较好
(3) 采用等离子和激光辅助技术可以显著地促进化学反应，使沉积可在较低的温度下进行
(4) 涂层的化学成分可以随气相组成的改变而变化，从而获得梯度沉积物或者得到混合镀层。

(5) 可以控制涂层的密度和涂层纯度。

(6) 绕镀件好。

可在复杂形状的基体上以及颗粒材料上镀膜。

适合涂覆各种复杂形状的工件。

由于它的绕镀性能好，所以可涂覆带有槽、沟、孔，甚至是盲孔的工件。

(7) 沉积层通常具有柱状晶体结构，不耐弯曲，但可通过各种技术对化学反应进行气相扰动，以改善其结构。

(8) 可以通过各种反应形成多种金属、合金、陶瓷和化合物涂层。

二、化学气相沉积法的应用
现代科学和技术需要使用大量功能各异的无机新材料，这些功能材料必须是高纯的，或者是在高纯材料中有意地掺入某种杂质形成的掺杂材料。

但是，我们过去所熟悉的许多制备方法如高温熔炼、水溶液中沉淀和结晶等往往难以满足这些要求，也难以保证得到高纯度的产品。

因此，无机新材料的合成就成为现代材料科学中的主要课题。

化学气相淀积是近几十年发展起来的制备无机材料的新技术。

化学气相淀积法已经广泛用于提纯物质、研制新晶体、淀积各种单晶、多晶或玻璃态无机薄膜材料。

这些材料可以是氧化物、硫化物、氮化物、碳化物，也可以是III-V、II-IV、IV-VI族中的二元或多元的元素间化合物，而且它们的物理功能可以通过气相掺杂的淀积过程精确控制。

目前，化学气相淀积已成为无机合成化学的一个新领域。

1、化学气相沉积法制备石墨烯
化学气相沉积(CVD)法是近年来发展起来的制备石墨烯的新方法，具有产物质量高、生长面积大等优点，逐渐成为制备高质量石墨烯的主要方法。

石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成的二维蜂窝状结构,是构成其他维数碳材料的基本结构单元。

化学气相沉积法制备石墨烯早在20世纪70年代就有报道，当时主要采用单晶Ni作为基体，但所制备出的石墨烯主要采用表面科学的方法表征，其质量和连续性等都不清楚。

随后，人们采用单晶等基体。

在低压和超高真空中也实现了石墨烯的制备，但直到2009年初与韩国成均馆大学利用沉积有多晶Ni膜的硅片作为基体制备出大面积少层石墨烯，并将石墨烯成功地从基体上完整地转移下来，从而掀起了化学气相沉积法制备石墨烯的热潮。

石墨烯的CVD生长主要涉及三个方面：碳源；生长基体和生长条件；气压、载气、温度等。

石墨烯的CVD法制备最早采用多晶Ni膜作为生长基体, 麻省理工学院的J.Kong研究组，通过电子束沉积的方法，在硅片表面沉积500nm的多晶Ni膜作为生长基体，利用CH4为碳源，氢气为载气。

的CVD法生长石墨烯，生长温度为900益~1000益。

韩国成均馆大学的B.H.Hong研究组，采用类似的CVD法生长石墨烯:生长基体为电子束沉积的300nm的Ni膜，碳源为CH4生长温度为1000
益，载气为氢气和氩气的混合气。

采用该生长条件制备的石墨烯的形貌图。

由于Ni生长石墨烯遵循渗碳析碳生长机制，因此所得石墨烯的层数分布很大程度上取决于降温速率。

采用Ni膜作为基体生长石墨烯具有以下特点：石墨烯的晶粒尺寸较小层数不均一且难以控制在晶界处往往存在较厚的石墨烯，少层石墨烯呈无序堆叠。

此外，由于Ni与石墨烯的热膨胀率相差较大，因此降温造成石墨烯的表面含有大量褶皱。

2、化学气相法制备薄膜
化学气相沉积法是通过气相或者在基板表面上的化学反应，在基板上形成薄膜。

用化学气相沉积法可以制备各种薄膜材料。

选用适合的CVD装置，采用各种反应形式，选择适当的制备条件可以得到具有各种性质的薄膜材料。

一般来说，化学气相沉积方法更适合于半导体薄膜材料的制备。

用化学气相沉积方法制备薄膜材料时，为了合成出优质的薄膜材料，必须控制好反应气体组成、工作气压、基板温度、气体流量以及原料气体的纯度等。

四、实验步骤
（一）实验前准备工作
1.用金刚石刀切割合适大小的Si衬底，用丙酮、乙醇、去离子水依次清洗后吹干待用
2.用酒精擦拭石英管内部腔体
（二）前驱体配置
取适量三氧化钼粉体和S粉，称量.
三氧化钼0.05g, S粉1g，分别平铺在石英舟和陶瓷舟底部。

（三）生长过程
1.按照上图所示，用细铁丝将石英舟和陶瓷舟慢慢推入石英管内部，并安装好法兰。

2.检查装置的气路连接，包括气瓶出气口与管道连接处，管道与气流计连接处，石英管进气口端的法兰连接处，石英管出气口端的法兰连接处等。

3.机械泵预抽20min。

4.打开氮气气瓶总阀，然后打开减压阀，通过流量控制系统调整流速为80sccm。

5.设置好控温程序，开始加热升温
6.当温度达到750o C，开始保温，保温时间为10min
7.反应结束后，继续通氮气，温度随炉冷却；
8.温度下降到室温后，关闭气体后打开法兰，并取出样品，做好标注进行下一步研究；
9.在样品存放时注意密封保存，避免样品被污染以至于影响实验结果和数据测量。

10.XRD测试，对实验结果进行分析。

五、实验结果分析
六、思考与讨论
1.如何改造现有管式炉，能够精确控制硫粉的加热温度？
2.当用LPCVD生长材料时，如何能控制石英管内的压力呢？。