CN108878636A - 一种基于二碲化钼制备二维热电器件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于二碲化钼制备二维热电器件的方法，包括以下步骤：在衬底材料上生长一层绝缘介质层；在绝缘介质层上转移一层二碲化钼薄膜；在二碲化钼薄膜表面部分区域覆盖一层光刻胶，形成掩膜，二碲化钼薄膜表面另一部分区域裸露；对二碲化钼薄膜进行辐照，辐照完成后去除光刻胶；分别在经过辐照的二碲化钼薄膜和未经过辐照的二碲化钼薄膜的两端制作第一金属电极和第二金属电极。与现有技术相比，本发明基于二碲化钼材料在辐照后发生半导体—金属相变的特性来构建二维热电器件，具备制作方法简单，体积小，集成度高等优点。

Description

一种基于二碲化钼制备二维热电器件的方法
技术领域
本发明涉及二维热电器件技术领域，具体涉及一种基于二碲化钼制备二维热电器件的方法。
背景技术
由于便携式电子产品日益增长的微型化趋势，小型化电源的研究和发展成为热点。二碲化钼作为过渡金属碲化物具有相结构多变，且带隙较小，载流子迁移率较高等特点，近年来成为了过渡金属硫化物材料研究的新宠。二碲化钼具有两个相位，一个相位为2H(六角晶体)，具有半导体性质；而另一个相位为1T'，有金属性质。对二碲化钼材料进行辐照，会诱导其从2H相位相变为1T'相位。相变后二碲化钼材料表现出截然不同的能带结构、光学性质和电学性能，其热电系数同样发生明显改变。将二碲化钼薄膜进行部分辐照，经受辐照的二碲化钼材料，其热电系数，即塞贝克系数，与未受辐照区域相比，大为下降；辐照后二碲化钼内部形成了金属—半导体异质结构，形成热电转换器件。当接触热辐射源时，金属相二碲化物材料与半导体相二碲化物材料因其热电系数不同，之间产生电流，进行热电转换。如上所述，当外界热源存在时，部分相变后二碲化钼内部的金属—半导体异质结构之间热电系数之差而引起的热能转换具有广泛应用前景。该方法仅用到了原位可控的辐照方法诱导了相变，形成可热电转换的异质结构，简单易实现。另一方面，二碲化钼的同质结效率极高，是硅的10～50倍，电子可以在其中迅速运动，产生热电流的效率很高。
同时，由于二碲化钼二维半导体晶体材料具有独特的二维平面结构，能够与现代微纳技术衔接，可以很好地实现热电器件的高密度集成。另一方面，若二碲化钼生长到任意柔性材料衬底上，可实现随之弯曲、折叠的特性，获得随意弯曲折叠的热电转换器件，更可满足便携式电子产品对小型化电源的技术需求。
发明内容
本发明的目的就是为了满足小型化电源的技术需求，提供一种基于二碲化钼二维半导体晶体材料相变特性制备二维热电器件的方法，具有轻便，体积小，集成度高，性能高的特点。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种基于二碲化钼制备二维热电器件的方法，包括以下步骤：
(1)在衬底材料上生长一层绝缘介质层；
(2)在绝缘介质层上转移一层二碲化钼薄膜；
(3)在二碲化钼薄膜表面部分区域覆盖一层光刻胶，形成掩膜，二碲化钼薄膜表面另一部分区域裸露；
(4)对二碲化钼薄膜进行辐照，辐照完成后去除光刻胶；
(5)分别在经过辐照的二碲化钼薄膜和未经过辐照的二碲化钼薄膜的两端制作第一金属电极和第二金属电极。
进一步地，步骤(1)所述衬底材料为硅材料，也可以是其它柔性衬底材料。
进一步地，步骤(1)所述绝缘介质层为二氧化硅、氮化硅、氧化铪或氧化铝。
进一步地，步骤(1)所述绝缘介质层的厚度为50～500nm。
进一步地，步骤(1)所述绝缘介质层通过氧化或淀积方式生长在衬底材料上。
进一步地，步骤(2)所述二碲化钼薄膜也可以是其它具有相变特性的过渡金属碲化物，如WTi2，厚度≤1nm。
进一步地，步骤(4)中对二碲化钼薄膜进行辐照采用电子束辐射、激光辐照或离子束辐照。
进一步地，步骤(5)所述第一金属电极和第二金属电极通过磁控溅射方法、电子束蒸发法或热蒸发法进行沉积，厚度为20-200nm。
进一步地，步骤(5)所述第一金属电极和第二金属电极可采用同种材料，也可采用不同材料。
本发明基于二碲化物材料经辐照后发生半导体向金属转换的相变特性，首先按图形覆盖光刻胶形成掩膜，再进行电子束辐照的方法在二碲化钼薄膜内部产生半导体—金属异质结构，由于金属相二碲化物材料与半导体相二碲化物材料的热电系数不同，当接触热辐射源时，金属相二碲化钼材料与半导体相二碲化钼材料之间产生电流，进行热电转换。
与现有技术相比，本发明具有以下特点：
1)外界热源存在时，金属相二碲化钼材料与半导体相二碲化钼材料之间因塞贝克系数不同而产生热电电流，其引起的热电转换具有广泛应用前景；
2)采用的二碲化钼材料中电子运动速度快，热电流响应迅速，制成的热电器件响应速率远快于传统的硅基热电器件；同时，二碲化钼材料中具有独特的二维平面结构，能够与现代高科技的微纳加工技术相衔接，能很好地实现热电器件的高密度集成；整体结构简单、紧凑，满足便携式电子产品对小型化电源的技术需求，具有很好的应用前景；
3)该方法仅用到了原位可控的辐照方法诱导了相变从而形成可进行热电转换的异质结构，简单易实现。
附图说明
图1为本发明二维热电器件的结构示意图；
图2-5分别为本发明制备二维热电器件各步骤的结构示意图；
图中：1-衬底材料、2-绝缘介质层、3-二碲化钼薄膜、4-光刻胶、5-发生相变的二碲化钼薄膜、6-第一金属电极、7-第二金属电极。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
如图1所示，一种利用半导体—金属相变制备二维热电器件，参照图2-5，该热电器件的制备步骤为：在衬底材料1上生长一层绝缘介质层2，在绝缘介质层2上转移一层二维半导体材料二碲化钼薄膜3，在二碲化物薄3表面的部分区域覆盖一层光刻胶4，而另一部分区域裸露，对二碲化钼进行辐照，裸露部分的二碲化钼经辐照后发生相变，从半导体特性相变为金属特性，分别在经过辐照并相变为金属特性的二碲化钼和未经过辐照的二碲化钼的两端沉积第一金属电极6和第二金属电极7。基于二碲化钼半导体材料在辐照后发生半导体—金属相变的特性构建了二维热电器件，具有制作方法简单，体积小，响应速率快，集成度高的优点。
本实施例，衬底材料1的材质为硅，绝缘介质层2为二氧化硅介质层，该二氧化硅介质层的厚度为200nm，二维半导体材料层为单层二碲化钼材料，厚度为1nm。
在实际制备过程中，在硅衬底先淀积一层二氧化硅介质层，以增加二碲化钼与硅衬底之间的粘附性；二碲化钼层通过转移直接生长在二氧化硅介质层上，随后，在二碲化钼层上旋涂一层光刻胶；接着采用电子束光刻对二碲化钼层进行辐照，辐照结束后通过刻蚀去除光刻胶，最后，通过磁控溅射方法分别在经过辐照的二碲化钼一端、没有经过辐照的二碲化钼一端淀积一层金属隔膜，然后通过剥离工艺，制成第一金属电极及第二金属电极。本实施例中，第一金属电极6与第二金属电极7的厚度均为200nm，材质均为金。
实施例2
本实施例中，衬底的材质为柔性聚萘二甲酸乙二醇酯，介质层为氮化硅介质层，该氮化硅介质层的厚度为100nm；二维材料层为二碲化钼，该二碲化钼层3的厚度为1nm。
制备时，通过标准机械剥离工艺获得二碲化钼，再转移至氮化硅介质层上，随后在二碲化钼层上旋涂一层光刻胶4，接着采用激光辐照对二碲化钼层进行辐照，辐照结束后通过显影液显影去除光刻胶，最后，通过电子束蒸发法分别在经过辐照的二碲化钼一端、没有经过辐照的二碲化钼一端淀积一层金属隔膜，然后通过剥离工艺，制成第一金属电极6及第二金属电极7。本实施例中，第一金属电极6与第二金属电极7的厚度均为100nm，材质均为铝。其余同实施例1。
实施例3
本实施例中，衬底的材质为聚酰亚胺，介质层为氧化铝介质层，该氧化铝介质层的厚度为200nm，二维材料层为二碲化钼，该二碲化钼层3的厚度为1nm。
制备时，通过高温真空合成法制备二碲化钼，再转移至氧化铝介质层上，随后在二碲化钼层上旋涂一层光刻胶4，接着采用等离子体辐照对二碲化钼层进行辐照，辐照结束后通过显影液显影去除光刻胶，最后，通过热蒸发法分别在经过辐照的二碲化钼一端、没有经过辐照的二碲化钼一端淀积一层金属隔膜，然后通过剥离工艺，制成第一金属电极6及第二金属电极7。本实施例中，第一金属电极6材质均为银，厚度80nm，第二金属电极7材质的材质为金，厚度80nm，其余同实施例1。
实施例4
本实施例中，衬底的材质为金属箔片柔性衬底，介质层为氧化硅介质层，该氧化硅介质层的厚度为500nm；二维材料层为二碲化钼，该二碲化钼层的厚度为50nm。
制备时，通过气相输运法法制备二碲化钼层，再转移至氧化硅介质层上，随后在二碲化钼层上旋涂一层光刻胶4，接着采用激光辐照对二碲化钼层进行辐照，辐照结束后通过刻蚀去除光刻胶，最后，通过热蒸发法分别在经过辐照的二碲化钼一端、没有经过辐照的二碲化钼一端淀积一层金属隔膜，然后通过剥离工艺，制成第一金属电极6及第二金属电极7。本实施例中，第一金属电极6与第二金属电极7材质的厚度均为80nm，材质均为金，其余同实施例1。
实施例5：
本实施例中，柔性衬底的材质为超薄玻璃，该超薄玻璃的厚度为10μm，介质层为二氧化硅介质层，该二氧化硅介质层的厚度为10nm；二碲化物层为二碲化钼，该二碲化钼层的厚度为1nm，对二碲化钼层采用高功率激光辐照。本实施例中，第一金属电极6与第二金属电极7的厚度均为10nm，材质均为铝。其余同实施例1。
实施例6
本实施例中，衬底的材质为硅，厚度为5μm，介质层为氧化铪介质层，该氧化铪介质层的厚度为20nm；二维半导体材料为二碲化钼，该二碲化钼层3的厚度为1nm，对二碲化钼层采用电子束辐照。
本实施例中，第一金属电极6与第二金属电极7的厚度均为20nm，材质均为金，其余同实施例1。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式的限制。虽然本发明已以较佳实例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述所述的方法及技术内容做出些许的更改或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术发案的内容，依据本发明的技术实质对以上实例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种基于二碲化钼制备二维热电器件的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在衬底材料上生长一层绝缘介质层；
(2)在绝缘介质层上转移一层二碲化钼薄膜；
(3)在二碲化钼薄膜表面部分区域覆盖一层光刻胶，形成掩膜，二碲化钼薄膜表面另一部分区域裸露；
(4)对二碲化钼薄膜进行辐照，辐照完成后去除光刻胶；
(5)分别在经过辐照的二碲化钼薄膜和未经过辐照的二碲化钼薄膜的两端制作第一金属电极和第二金属电极。
2.根据权利要求1所述的一种基于二碲化钼制备二维热电器件的方法，其特征在于，步骤(1)所述衬底材料为硅材料，也可以是其它柔性衬底材料。
3.根据权利要求1所述的一种基于二碲化钼制备二维热电器件的方法，其特征在于，步骤(1)所述绝缘介质层为二氧化硅、氮化硅、氧化铪或氧化铝。
4.根据权利要求1所述的一种基于二碲化钼制备二维热电器件的方法，其特征在于，步骤(1)所述绝缘介质层的厚度为50～500nm。
5.根据权利要求1所述的一种基于二碲化钼制备二维热电器件的方法，其特征在于，步骤(1)所述绝缘介质层通过氧化或淀积方式生长在衬底材料上。
6.根据权利要求1所述的一种基于二碲化钼制备二维热电器件的方法，其特征在于，步骤(2)所述二碲化钼薄膜也可以是其它具有相变特性的过渡金属碲化物，厚度≤1nm。
7.根据权利要求1所述的一种基于二碲化钼制备二维热电器件的方法，其特征在于，步骤(4)中对二碲化钼薄膜进行辐照采用电子束辐射、激光辐照或离子束辐照。
8.根据权利要求1所述的一种基于二碲化钼制备二维热电器件的方法，其特征在于，步骤(5)所述第一金属电极和第二金属电极通过磁控溅射方法、电子束蒸发法或热蒸发法进行沉积，厚度为20-200nm。
9.根据权利要求1所述的一种基于二碲化钼制备二维热电器件的方法，其特征在于，步骤(5)所述第一金属电极和第二金属电极可采用同种材料，也可采用不同材料。
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