1.本发明属于碳基材料技术领域，特别涉及一种二硫化钼/
石墨烯复合异质结及其制备方法。
背景技术：
2.二次电子发射也称为电子倍增效应，二次电子的发射过程主要包括三部分：
①
初始电子进入材料内部并激发内二次电子，
②
被激发的内二次电子向表面运动，
③
运动到表面的内二次电子克服表面势垒并出射成为真二次电子。
3.近年来，虽然我国在通信、航天领域和卫星大功率部件的设计方面取得明显地进步，但是电子倍增效应仍然是制约微波部件功率容量提升的一项瓶颈，也是影响高功率微波部件稳定性的重要原因。微放电效应的发生会容易造成严重后果甚至使部件性能失效，可见抑制电子倍增效应迫在眉睫。
4.实现sey调控的工艺方法可以概括为两大类：表面镀层法和表面粗糙化法。表面镀层法的sey调控表面镀膜技术是目前抑制空间大功率微波部件微放电效应最有效的方法之一。通过在微波部件表面镀上一层具有低sey、稳定物理和化学特性的薄膜材料，如金属材料铂(pt)、铜(cu)可以有效抑制电子倍增效应，但这容易增大微波部件插损。
5.石墨烯是一种零带隙半导体材料，其拥有特殊的导带和价带结构，在室温条件下石墨烯的电子迁移率高达2.5
×
105cm2/vs，并且它的电阻率也小，约为10-6ωcm。在薄膜用于抑制空间微波器件sey的应用体系中，不管是对其已有薄膜物理性质的研究，还是新兴薄膜的提出，总需要有对薄膜材料进行掺杂改性。现有的掺杂改性方法会引入其他杂质，但是杂质的引入也增加了缺陷形成的概率，降低了纯度。而石墨烯作为新一代的二维半导体材料，探究改性后其电子性能的变化为其在空间微波器件等领域应用具有重要意义。现有的镀碳基薄膜与基地的粘附性较差。
技术实现要素：
6.本发明的目的在于提供一种二硫化钼/石墨烯复合异质结及其制备方法，以解决上述问题。
7.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
8.一种二硫化钼/石墨烯复合异质结，包括基底1、二硫化钼层2和石墨烯层3；二硫化钼层2设置在基底1上，石墨烯层设置在二硫化钼层2上。
9.进一步的，基底1为硅基片。
10.进一步的，二硫化钼层2的厚度为10nm，沉积的石墨烯层3的厚度为15nm。
11.进一步的，一种二硫化钼/石墨烯复合异质结的制备方法，包括以下步骤：
12.步骤1：对基底进行预处理；
13.步骤2：对预处理后的基底表面进行沉积二硫化钼层；
14.步骤3：在二硫化钼层的表面继续沉积石墨烯层；
15.步骤4：高温退火处理得到层数均匀的二硫化钼/石墨烯复合异质结薄膜。
16.进一步的，步骤1中，预处理为：将衬底先后用丙酮和酒精各超声清洗20分钟，去除基片表面吸附，并用氮气吹干。
17.进一步的，步骤2中，在预处理后的基底表面，采用射频磁控溅射二硫化钼靶的方式，在基底上沉积二硫化钼层，在溅射过程中，在镀膜腔中通入氩气，其流量为10～30sccm，镀膜腔体中工作气压为1～10pa。
18.进一步的，步骤3中，关闭氩气阀，停止通入流量为10～30sccm的氩气，在镀膜腔中通入甲烷，其流量为20～50sccm，镀膜腔体中工作气压为1～10pa。
19.进一步的，步骤4中，高温退火处理：退火气氛为氮气，退火温度为600℃，退火时间为1h，实现硫化和碳化，得到层数均匀的薄膜。
20.进一步的，高温退火后，利用氩离子体进行溅射处理，溅射功率为50w，溅射时间为10min，得到二硫化钼/石墨烯复合异质结。
21.与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
22.本发明通过对磁控溅射制备mos2/石墨烯复合异质结工艺过程的优化设计，并且结合退火工艺，以减少预制薄膜的硫空位，提高二硫化钼缓冲层的结晶质量，同时通过氩离子溅射在碳膜上形成高表面粗糙度的复合异质结薄膜，这能够有效增加二次电子与表面陷阱壁的平均碰撞次数从而抑制二次电子发射现象。与现有工艺相比，本发明选择了附着性好、热稳定性强的二硫化钼作为缓冲层，即解决了现有的镀碳基薄膜与基地的粘附性较差的问题，又可以减小由于金属纳米镀层容易发生表面氧化而造成的稳定性差和增大微波部件插损的风险。本发明提出的新型二维镀层材料对于解决空间高功率微波器件有较好的应用前景。
23.同时本发明基于密度泛函理论(dft)的第一性原理平面波赝势方法通过切面加真空层来实现二维异质结薄膜模拟，运用castep模块，建模之后通过对模型进行几何结构优化，定量得到异质结的能带、态密度、分波态密度等信息，对材料进行定量分析。通过计算模拟，适当的近似，来处理材料多电子问题，可以减少实验所造成的成本浪费和对实验后期数据的理论支撑，计算科学对物理化学材料等研究领域的快速发展有着重大贡献。
附图说明
24.图1是本发明用于抑制二次电子发射的mos2/石墨烯复合异质结的结构示意图
25.图2是本发明所采用的优化设计mos2/石墨烯复合异质结的超胞结构模型图
26.图3是本发明mos2/石墨烯复合异质结二次电子发射系数实验结果图
27.图4是本发明mos2/石墨烯复合异质结价电子能级与态密度图
28.图5是本发明mos2/石墨烯复合异质结c原子、mo原子、s原子分态密度图。
具体实施方式
29.以下结合附图对本发明进一步说明：
30.请参阅图1至图5，利用materialstudio软件建立二硫化钼、石墨烯表面模型，将其进行复合，得到mos2/石墨烯异质结。如图2所示，表面模型包含两层，上层为真空层，设置为下层为mos2/石墨烯复合异质结层，对其进行结构优化，即利用基于第一性原理的密度
泛函理论的量子力学模拟软件materialstudio中的castep模块，对 mos2/石墨烯复合异质结界面进行几何优化进行迭代计算。采用广义梯度近似(gga)的 pbe方案进行近似处理，计算过程中遵循能量最低原则，平面波截断能量取270ev，对所有原子进行完全弛豫，收敛判据为每个原子受力小于原子的最大位移不大于能量收敛精度不大于5
×
10-6
ev/atom，晶体的内应力不大于0.08gpa。计算优化完后，四个参数全部达到或优于收敛精度标准。优化后可以得到表面模型结构优化后的晶格常数、键长、键角与原子位置，同时可以计算得到不同原子态密度与波函数；
31.图4是本发明mos2/石墨烯复合异质结价电子能级与总态密度图，费米能级(图4中水平虚线0ev处)为绝对零度是电子所占据的最高能量态，根据固体物理理论可知，只有在费米能级附近kbt能量的电子才有可能发生跃迁，才能发生能量交换，所以只研究在费米能级上下的导带和价带的情况。mos2/石墨烯复合异质结能带结构曲线中的导带底和价带顶都位于倒格空间的k点和h点，呈现出明显的直接带隙特点，禁带宽度为 0.006ev,可见可以通过构成异质结薄膜实现调控二硫化钼层(单层mos2的能隙为1.8ev) 的带隙的目的，异质结能带的导带能量状态主要分布在11.16ev到-15.88ev能量范围。该异质结窄的带隙增加了的二次电子与价电子的电子-电子碰撞，即二次电子发射薄膜因为石墨烯的调控作用使异质结薄膜具有好的导电性，内部电子在穿越异质结薄膜时损失很大的动能，使低能二次电子具有小的逃逸深度，达到了抑制sey的目的，这对提高微放电阈值是有很大的参考意义的。
32.结合图5给出的不同原子态密度的分布曲线来看，导带电子态密度主要由c原子2p 态电子、mo原子的4p和4d态电子以及s原子的3p态电子所贡献，通过求解积分面积得到导带高能量范围的态密度主要由mo原子的4p和4d态电子所贡献，s原子贡献最少。同时mos2/石墨烯复合异质结导带可见是石墨烯的c原子2p对二硫化钼的电子状态起到调控作用，增大了电子跃迁的几率，从而对内二次电子起到了关键性的散射作用，抑制了二次电子发射能力。
33.实施例1：
34.本发明目的在于提供一种磁控溅射制备mos2/石墨烯复合异质结抑制微放电效应的方法。
35.步骤一：将衬底先后用丙酮和酒精各超声清洗20分钟，去除基片表面吸附，并用氮气吹干。在基底1表面，采用射频磁控溅射二硫化钼靶方式，在基底1上沉积二硫化钼缓冲层，在溅射过程中，在镀膜腔中通入氩气，其流量为25sccm，使镀膜腔体中工作气压为4pa，沉积的二硫化钼缓冲层的厚度为10nm；
36.步骤二：关闭氩气阀，停止通入流量为25sccm的氩气，在镀膜腔中通入甲烷，其流量为30sccm，使镀膜腔体中工作气压为7pa，沉积的石墨烯的厚度为15nm；
37.步骤三：将上述异质结进行高温退火处理，退火气氛为氮气，退火温度为600℃，退火时间为1h，实现硫化和碳化，以减少异质结薄膜的硫和碳空位，以期得到层数均匀的薄膜。之后利用氩离子体进行溅射处理，溅射功率为50w，溅射时间为10min，以提高薄膜的粗糙度，增大对二次电子发射的抑制作用，从而应用该新方法能够很好地抑制由表面二次电子发射造成的部件微放电效应及空间飞行器中介质材料表面二次电子发射诱发的带电和介质击穿现象。
38.实施例2：
39.本发明目的在于提供一种磁控溅射制备mos2/石墨烯复合异质结抑制微放电效应的方法。
40.步骤一：将衬底先后用丙酮和酒精各超声清洗20分钟，去除基片表面吸附，并用氮气吹干。在基底1表面，采用射频磁控溅射二硫化钼靶方式，在基底1上沉积二硫化钼缓冲层，在溅射过程中，在镀膜腔中通入氩气，其流量为30sccm，使镀膜腔体中工作气压为10pa，沉积的二硫化钼缓冲层的厚度为10nm；
41.步骤二：关闭氩气阀，停止通入流量为30sccm的氩气，在镀膜腔中通入甲烷，其流量为50sccm，使镀膜腔体中工作气压为10pa，沉积的石墨烯的厚度为15nm；
42.步骤三：将上述异质结进行高温退火处理，退火气氛为氮气，退火温度为600℃，退火时间为1h，实现硫化和碳化，以减少异质结薄膜的硫和碳空位，以期得到层数均匀的薄膜。之后利用氩离子体进行溅射处理，溅射功率为50w，溅射时间为10min，以提高薄膜的粗糙度，增大对二次电子发射的抑制作用，从而应用该新方法能够很好地抑制由表面二次电子发射造成的部件微放电效应及空间飞行器中介质材料表面二次电子发射诱发的带电和介质击穿现象。
43.实施例3：
44.本发明目的在于提供一种磁控溅射制备mos2/石墨烯复合异质结抑制微放电效应的方法。
45.步骤一：将衬底先后用丙酮和酒精各超声清洗20分钟，去除基片表面吸附，并用氮气吹干。在基底1表面，采用射频磁控溅射二硫化钼靶方式，在基底1上沉积二硫化钼缓冲层，在溅射过程中，在镀膜腔中通入氩气，其流量为10sccm，使镀膜腔体中工作气压为1pa，沉积的二硫化钼缓冲层的厚度为10nm；
46.步骤二：关闭氩气阀，停止通入流量为10sccm的氩气，在镀膜腔中通入甲烷，其流量为20sccm，使镀膜腔体中工作气压为1pa，沉积的石墨烯的厚度为15nm；
47.步骤三：将上述异质结进行高温退火处理，退火气氛为氮气，退火温度为600℃，退火时间为1h，实现硫化和碳化，以减少异质结薄膜的硫和碳空位，以期得到层数均匀的薄膜。之后利用氩离子体进行溅射处理，溅射功率为50w，溅射时间为10min，以提高薄膜的粗糙度，增大对二次电子发射的抑制作用，从而应用该新方法能够很好地抑制由表面二次电子发射造成的部件微放电效应及空间飞行器中介质材料表面二次电子发射诱发的带电和介质击穿现象。
48.上述制备得到的mos2/石墨烯复合异质结二次电子发射系数通过电流法测得，如图3 所示，可以得到mos2/石墨烯复合异质结沉积到基底之后其sey最大值降到了1.21左右，测得硅基片二次电子发射系数约为2.5。硅基片表面沉积mos2/石墨烯复合异质结后，其二次电子发射系数降至1.21，降幅可达51.6％。采用本发明的异质结薄膜结构及制备方法制备的带有层数均匀的二硫化钼缓冲层的非晶碳膜由于表面进行了氩离子溅射处理，使其具有较高表面粗糙度，从而抑制二次电子发射效果更好。并且二次电子发射系数为1 时的初射电子能量区间明显地缩减了，在800ev-1500ev的能量区间内，sey曲线值保持在一个相对水平的位置，这说明的mos2/石墨烯复合异质结有稳定的抑制效果。技术特征：
1.一种二硫化钼/石墨烯复合异质结，其特征在于，包括基底(1)、二硫化钼层(2)和石墨烯层(3)；二硫化钼层(2)设置在基底(1)上，石墨烯层设置在二硫化钼层(2)上。2.根据权利要求1所述的一种二硫化钼/石墨烯复合异质结，其特征在于，基底(1)为硅基片。3.根据权利要求1所述的一种二硫化钼/石墨烯复合异质结，其特征在于，二硫化钼层(2)的厚度为10nm，沉积的石墨烯层(3)的厚度为15nm。4.一种二硫化钼/石墨烯复合异质结的制备方法，其特征在于，基于权利要求1至3任意一项所述的一种二硫化钼/石墨烯复合异质结，包括以下步骤：步骤1：对基底进行预处理；步骤2：对预处理后的基底表面进行沉积二硫化钼层；步骤3：在二硫化钼层的表面继续沉积石墨烯层；步骤4：高温退火处理得到层数均匀的二硫化钼/石墨烯复合异质结薄膜。5.根据权利要求4所述的一种二硫化钼/石墨烯复合异质结的制备方法，其特征在于，步骤1中，预处理为：将衬底先后用丙酮和酒精各超声清洗20分钟，去除基片表面吸附，并用氮气吹干。6.根据权利要求4所述的一种二硫化钼/石墨烯复合异质结的制备方法，其特征在于，步骤2中，在预处理后的基底表面，采用射频磁控溅射二硫化钼靶的方式，在基底上沉积二硫化钼层，在溅射过程中，在镀膜腔中通入氩气，其流量为10～30sccm，镀膜腔体中工作气压为1～10pa。7.根据权利要求4所述的一种二硫化钼/石墨烯复合异质结的制备方法，其特征在于，步骤3中，关闭氩气阀，停止通入流量为10～30sccm的氩气，在镀膜腔中通入甲烷，其流量为20～50sccm，镀膜腔体中工作气压为1～10pa。8.根据权利要求4所述的一种二硫化钼/石墨烯复合异质结的制备方法，其特征在于，步骤4中，高温退火处理：退火气氛为氮气，退火温度为600℃，退火时间为1h，实现硫化和碳化，得到层数均匀的薄膜。9.根据权利要求8所述的一种二硫化钼/石墨烯复合异质结的制备方法，其特征在于，高温退火后，利用氩离子体进行溅射处理，溅射功率为50w，溅射时间为10min，得到二硫化钼/石墨烯复合异质结。
技术总结
一种二硫化钼/石墨烯复合异质结及其制备方法，包括基底1、二硫化钼层2和石墨烯层3；二硫化钼层2设置在基底1上，石墨烯层设置在二硫化钼层2上。本发明通过对磁控溅射制备MoS2/石墨烯复合异质结工艺过程的优化设计，并且结合退火工艺，以减少预制薄膜的硫空位，提高二硫化钼缓冲层的结晶质量，同时通过氩离子溅射在碳膜上形成高表面粗糙度的复合异质结薄膜，这能够有效增加二次电子与表面陷阱壁的平均碰撞次数从而抑制二次电子发射现象。撞次数从而抑制二次电子发射现象。撞次数从而抑制二次电子发射现象。
技术研发人员：胡忠强 赵亚楠 吴金根 彭淑婷 刘明 何鋆 杨晶 张毅 崔万照
受保护的技术使用者：西安空间无线电技术研究所
技术研发日：2021.09.02
技术公布日：2022/2/6
声明：
“二硫化钼/石墨烯复合异质结及其制备方法与流程” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：西安空间无线电技术研究所
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2024年06月21日 ~ 23日 
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