一种纳米二硫化钼基薄膜及其制备方法
阅读说明：本技术 一种纳米二硫化钼基薄膜及其制备方法 (Nano molybdenum disulfide-based thin film and preparation method thereof ) 是由 胡忠强 赵亚楠 吴金根 彭淑婷 刘明 胡天存 王新波 张毅 崔万照 于 2021-09-02 设计创作，主要内容包括：一种纳米二硫化钼基薄膜及其制备方法,包括基片和抑制层,抑制层设置在基片上；抑制层的层数大于等于1。抑制层为二硫化钼,基片为硅基片。包括以下步骤：步骤1：将钼源和硫源溶解在装有有机溶剂和去离子水的聚四氟乙烯反应釜中密封；步骤2：将反应釜置于电热烘箱中高温反应,并收集；步骤3：进行真空冷冻干燥工艺,冻干完毕后,得到高分散性纳米二硫化钼粉体；步骤4：沉积在清洗后的基底上,得到二硫化钼/基底复合异质样品。本发明操作简单,成本低廉,条件温和、产生污染小,且借助超声分散所制得的纳米二硫化钼无团聚现象、附着性强。(A nanometer molybdenum disulfide base film and its preparation method, including substrate and inhibit layer, inhibit the layer to set up on the substrate; the number of inhibiting layers is 1 or more. The inhibiting layer is molybdenum disulfide, and the substrate is a silicon substrate. The method comprises the following steps: step 1: dissolving a molybdenum source and a sulfur source in a polytetrafluoroethylene reaction kettle filled with an organic solvent and deionized water, and sealing; step 2: placing the reaction kettle in an electric heating oven for high-temperature reaction, and collecting; and step 3: performing a vacuum freeze-drying process, and obtaining high-dispersibility nano molybdenum disulfide powder after freeze-drying is finished; and 4, step 4: depositing on the cleaned substrate to obtain the molybdenum disulfide/substrate composite heterogeneous sample. The method has the advantages of simple operation, low cost, mild condition and little pollution, and the nano molybdenum disulfide prepared by ultrasonic dispersion has no agglomeration phenomenon and strong adhesiveness.)
技术领域
本发明属于高分散性纳米材料技术领域，特别涉及一种纳米二硫化钼基薄膜及其制备方法。
背景技术
二次电子发射也称为微放电效应，是指具有一定初始能量的粒子轰击材料时，材料表面有电子逸出的现象，电子倍增效应在诸多领域中有着广泛的研究，例如显微分析、电子倍增等领域。
但是二次电子发射现象的发生也会带来诸多不良影响。包括：空间高功率微波部件中的微放电效应、粒子加速器中的电子云效应，以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等。特别是近年来空间微波大功率有效载荷在航天领域的应用越来越广泛，并且随着微波部件小型化、集成化的发展，微波部件微放电问题愈发明显。考虑到微放电效应的发生会严重制约了空间微波系统的功率容量和使用寿命，提高微放电阈值迫在眉睫。
目前领域内能够实现低二次电子发射系数SEY的工艺有很多种，根据各类工艺对表面的改变情况可将这些工艺分为四类技术：①表面粗糙化处理，②表面生长纳米结构，③表面涂覆低SEY薄膜，④使用低SEY材料作为基体。
有研究人员提出：转移石墨烯纳米薄层的样片可以实现二次电子发射抑制。但是高质量转移石墨烯工艺流程复杂，并且石墨烯薄膜与基底之间结合力较弱，大大限制了石墨烯薄膜的实际应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种纳米二硫化钼基薄膜及其制备方法，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种纳米二硫化钼基薄膜，包括基片和抑制层，抑制层设置在基片上；抑制层的层数大于等于1。
进一步的，抑制层为二硫化钼，基片为硅基片。
进一步的，一种纳米二硫化钼基薄膜的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将钼源和硫源溶解在装有有机溶剂和去离子水的聚四氟乙烯反应釜中，超声波辅助溶解，待溶解完全后转移至反应釜中密封；
步骤2：将反应釜置于电热烘箱中高温反应，反应结束后，待自然冷却至室温，取出内衬中的沉淀用去离子水和乙醇离心清洗，并收集；
步骤3：进行真空冷冻干燥工艺，冻干完毕后，得到高分散性纳米二硫化钼粉体；
步骤4：在装有去离子水的烧杯中加入步骤三得到的纳米二硫化钼，超声分散，使纳米二硫化钼均匀分散，沉积在清洗后的基底上，置于电热烘箱中烘干，得到二硫化钼/基底复合异质样品。
进一步的，步骤1中，50mL的聚四氟乙烯反应釜依次过丙酮、酒精和去离子水清洗干净,加入体积比1:6的N-二甲基乙酰胺和去离子水混合溶液中，选择科密试剂的钼酸铵和福星试剂的硫脲分别作为钼源和硫源，并且钼酸铵和硫脲的摩尔比为1:3，采用一锅式在超声波作用下溶解均匀，待溶解完全后转移至反应釜中密封；
进一步的，步骤2中，将反应釜至于电热烘箱中，烘箱设定温度为180℃下反应24小时，反应结束后，等待自然冷却至室温后，用去离子水和乙醇8000r/min速度离心清洗二硫化钼溶液，并收集；
进一步的，步骤3中，将步骤2收集到的溶液以5mm的厚度放在容器中，先进行预冻处理，冻干箱进行空箱降温，然后将容器放置在冰箱中冷冻，冰箱温度为-10℃，冷冻时间1.5h，等待样品彻底冻结，转入升华阶段，进行真空冷冻干燥，水汽凝结器温度-40℃以下，真空度0.15mbar以下，时间15h，冻干完毕后，卸料得到纳米二硫化钼粉体；
进一步的，步骤4中，在洁净的烧杯中注入去离子水，将通过步骤3制备得到的二硫化钼粉末充分溶解于烧杯中，且超声分散，用吸管吸取均匀溶液，设置好匀胶机的转速然后将需要旋涂的样片放置于匀胶机上进行旋涂，通过控制吸管的量得到不同厚度的二硫化钼薄膜，将其旋涂在清洗后的基底上，置于电热烘箱中烘干，加热温度为100℃，时间为20分钟，得到不同层数的高分散性纳米二硫化钼/基底复合异质样品。
进一步的，基片的预处理：将硅基片先后用丙酮和去离子水、酒精各超声清洗，去除基片表面吸附，并用氮气吹干。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
本发明通过①表面粗糙化处理，②表面生长纳米结构，③表面涂覆低SEY薄膜，④使用低SEY材料作为基体，这几种方法可以有效的抑制电子倍增效应。本发明通过对水热法制备高分散性纳米二硫化钼工艺过程的优化设计，并且结合旋涂工艺形成复合异质结。与传统工艺相比，本发明操作简单，成本低廉，条件温和、产生污染小，且借助超声分散所制得的纳米二硫化钼无团聚现象、附着性强，借助真空冷冻干燥所制得的纳米二硫化钼组织结构较好的保存，产物纯净度高，抑制二次电子发射系数SEY的效果更加明显，在解决高功率微波器件电子倍增效应及粒子加速器的电子云方面有较高的参考价值。
二硫化钼克服了石墨烯没有带隙的缺点，且附着性强，是一种半导体材料，拥有独特的结构和活跃的边缘，使得其在抑制微放电效应方面有重要的参考价值。
附图说明
图1是本发明用于抑制二次电子发射的二硫化钼基薄膜的结构示意图
图2是本发明所采用的优化设计的水热法制备高分散性纳米二硫化钼的流程示意图
图3是本发明Si基片及不同层数MoS2/Si复合异质结样品的二次电子发射系数实验结果图
图4是本发明不同层数MoS2/Si复合异质结样品纳米二硫化钼的SEM电镜照片，其中(a)、(b)、(c)分别为一层、二层、三层MoS2/Si复合异质结样品。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明：
请参阅图1、图2所示，本发明目的在于提供一种优化设计后的水热法制备高分散性纳米二硫化钼抑制微放电效应的方法。
步骤一：50mL的聚四氟乙烯反应釜依次过丙酮、酒精和去离子水清洗干净,加入体积比1:6的N-二甲基乙酰胺和去离子水混合溶液中，选择科密试剂的钼酸铵和福星试剂的硫脲分别作为钼源和硫源,并且钼酸铵和硫脲的摩尔比为1:3，采用一锅式在超声波作用下溶解均匀，待溶解完全后转移至反应釜中密封；
步骤二：将反应釜至于电热烘箱中，烘箱设定温度为180℃下反应24小时，反应结束后，等待自然冷却至室温后，用去离子水和乙醇8000r/min速度离心清洗二硫化钼溶液数次，并收集；
步骤三：将步骤二收集到的溶液以5mm的厚度放在容器中，先进行预冻处理，冻干箱进行空箱降温，然后将容器放置在冰箱中冷冻，冰箱温度为-10℃，冷冻时间1.5h，等待样品彻底冻结，转入升华阶段，进行真空冷冻干燥，水汽凝结器温度-40℃以下，真空度0.15mbar以下，时间15h，冻干完毕后，卸料得到纳米二硫化钼；
步骤四：将硅基片先后用丙酮和去离子水、酒精各超声清洗，去除基片表面吸附，并用氮气吹干。在洁净的烧杯中注入一定量的去离子水，将通过步骤三制备得到的二硫化钼粉末充分溶解于烧杯中，且超声分散，用吸管吸取一定量均匀溶液，设置好匀胶机的转速然后将需要旋涂的样片放置于匀胶机上进行旋涂，通过控制吸管的量可以得到不同厚度的二硫化钼薄膜，将其旋涂在清洗后的基底上，置于电热烘箱中烘干，加热温度为100℃，时间为20分钟。得到不同层数的高分散性纳米二硫化钼/基底复合异质样品。
上述制备得到的不同层数二硫化钼/硅合金复合材料的二次电子发射系数通过电流法测得，如图3所示，可以得到样片和二硫化钼复合之后其SEY最大值降到了1.35左右，测得硅基片二次电子发射系数约为2。硅基片表面沉积纳米高分散性二硫化钼材料后，其二次电子发射系数降至1.33，降幅可达34％。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，且双层或三层二硫化钼材料抑制效果较明显。而且对于两层或三层的MoS2/Si复合异质样品来说，在400eV-1500eV的能量区间内，SEY曲线值保持在一个相对水平的位置，有稳定的抑制效果。作为典型的半导体材料，二硫化钼薄膜能够有效地减小部件表面二次电子发射系数，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。
对于以上现象，可以从二硫化钼层对一次电子的入射和二次电子的出射两个方面给出理论解释。首先对于一次电子的入射情况：二硫化钼层的Mo-S原子之间的距离小于两个硅原子之间的距离，这使得其难以穿透更致密的原子层。即对于相同数量的一次电子来说，更少的电子可以真正进入材料，因此可以激发更少的内部电子。其次对于二次电子的出射情况：一次电子进入材料后，发生电子-原子散射，在非弹性散射事件中获得一次电子的损失能量后，产生了一些内部二次电子。具有一定能量的内部二次电子将被进一步散射，直到其能量耗尽为止，最终，一些散射的二次电子可以到达表面。对于没有二硫化钼涂层的硅基板，内部二次电子的发射只需通过表面势垒。但是，如果表面涂有二硫化钼，则内部二次电子必须进一步穿透二硫化钼层才能有效发射，既有一个附加的势垒，这附加势垒与界面许多因素相关。二硫化钼对二次电子的影响甚至比对一次电子的影响更为复杂。大部分内部次级电子具有几eV的能量，远低于初级电子，低能电子比高能电子更难穿透二硫化钼。
导致二硫化钼有如此好的抑制二次电子产额的另一关键原因还有：窄的带隙增加了的二次电子与价电子的电子-电子碰撞。对于内部二次电子，除了电子-光子、电子-杂质的碰撞外，还有附加电子-电子散射，既通过激发价电子到导带而损失能量。二硫化钼中窄带隙(1.2eV)的出现增加了二次电子与价电子的电子-电子碰撞，内部电子在穿越二硫化钼材料时损失很大的能量，使低能二次电子具有小的逃逸深度，从而抑制了二次电子发射系数。
图4是本发明不同层数MoS2/Si复合异质结样品纳米二硫化钼的SEM电镜照片，其中(a)、(b)、(c)分别为一层、二层、三层MoS2复合异质结样品，可知经过抽真空快速冷冻的冻结优化工艺得到的粉体粒径都比较细小且均匀，无硬团聚，很好的抑制了二次电子产额。
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