CN108899423A - 一种高效的二维超晶格异质结光伏器件及其制备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高效的二维超晶格异质结光伏器件及其制备，其制备方法具体为：a)取由衬底(1)、二氧化硅层(2)和多层二维材料复合而成的器件结构浸入到含有机分子的电解质溶液中；b)在多层二维材料上制作三电极体系并施加负电压，使带正电荷的有机分子插入到多层二维材料的部分区域内，形成二维超晶格结构(4)，进一步得到二维超晶格异质结构；c)最后，在二维超晶格异质结构的两端生长金属电极，即完成。与现有技术相比，本发明开发了一类二维材料和有机分子层相互交替的稳定超晶格材料。该超晶格材料和二维多层材料构成异质结光伏器件，其结果等效于多个二维材料异质结并联，光吸收效率高，具有优异的迁移性和稳定性。

Description

一种高效的二维超晶格异质结光伏器件及其制备
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，涉及一种高效的二维超晶格异质结光伏器件及其制备。
背景技术
二维纳米材料已成为新一代高性能纳米材料，是国际前沿研究的核心材料之一。以单层MoS2为例，其电子迁移率在室温下可以达到200cm2/Vs。同时，在获得同样效果的电子运动时，MoS2比Si更轻薄。在稳定状态下耗能比Si晶体管小十万倍。同时MoS2具有直接带隙，使用MoS2制成的发光器件具有优异的的光电性能。同时基于MoS2的柔性特征，器件可弯曲与伸展，由此诞生众多新型应用领域。如果将不同类型的具有各种尺寸和对称性的有机分子插入到二维材料中，不但可以减弱层间耦合作用，还可以保持二维材料自身优良的电学性能。通过改变插层分子类型，可以实现对这些新型超晶格结构的调整，从而使其具有期望的电子和光学性质。
由二维层状材料所构成的超晶格结构，因具有特殊的光电性能而受到广泛关注，无论是石墨烯还是过渡金属二硫属元素化合物，亦或是近年来研究火热的黑磷，都表现出了极大的应用潜力。构建这种人工超晶格的策略主要有两种：1)自上而下：通过层层剥离和多次堆叠技术实现组装。但产量不高，同时可重复性差。2)自下而上：利用CVD得到高品质的异质结构。但是不适合多层周期性超晶格构建。3)碱金属离子插层二维原子晶体所形成的超晶格，由于离子掺杂的影响，导致材料电学性能发生改变。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术所存在缺陷而提供一种高效的二维超晶格异质结光伏器件及其制备。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明的目的之一在于提出了一种高效的二维超晶格异质结光伏器件，至少包括衬底、生长在衬底上的二氧化硅层上，以及覆盖在二氧化硅层上的多层二维材料，在多层二维材料部分区域内的各层之间嵌入有机分子层，以形成二维超晶格结构，所述二维超晶格结构与未嵌入有机分子层的多层二维材料部分组成二维超晶格异质结构，所述二维超晶格异质结构的两端分别生长有金属电极。
进一步的，所述的多层二维材料为二碲化钼、二硫化钼、二硒化钨、硒化铟、硒化锡、黑磷或硫化锗。
进一步的，所述的多层二维材料的厚度在1nm以上。
进一步的，所述的有机分子层中的有机分子为十六烷基三甲基溴化铵、四丁基溴化铵或四十二烷基溴化铵。
进一步的，所述的二氧化硅层的厚度为30-300nm。
进一步的，所述的金属电极的材料为金、银、铝或钛，其厚度为10-200nm。
本发明将不同类型的具有各种尺寸和对称性的有机分子替换碱金属离子插入到二维材料中，不但可以减弱层间耦合作用，还可以保持材料自身优良的电学性能。通过改变插层分子类型，可以实现对这些新型超晶格结构的调整，从而使其具有期望的电子和光学性质。
本发明目的之二在于提出上述高效的二维超晶格异质结光伏器件的制备方法，包括以下步骤：
a)取由衬底、二氧化硅层和多层二维材料复合而成的器件结构浸入到含有机分子的电解质溶液中；
b)在多层二维材料上制作工作电极，在多层二维材料上方的电解质溶液中制作对电极和参比电极，再在多层二维材料上施加负电压，使得带正电荷的有机分子被引入到多层二维材料的部分区域内，以形成二维材料/有机分子的二维超晶格结构，进而得到所述二维超晶格异质结构；
c)最后，在二维超晶格异质结构的两端生长金属电极，即得到目的产物。
进一步的，所述的对电极材料为铂，所述参比电极为银/氯化银。
进一步的，步骤b)中施加的电压范围为3-15V。
本发明在多层二维材料上指定区域采用光刻和电化学有机分子插层方法插入有机分子，插入后此部分二维材料由多层结构转变为二维超晶格结构，此超晶格由单层二维材料原子层和有机分子层相互交替形成，材料结构性能稳定。二维超晶格结构和多层二维材料的能带结构、物理和电学特性均不同，由它们所组成的二维超晶格异质结构等效于多个两维异质材料并联。当异质结构界面处存在光照时，因二维超晶格和多层二维材料的能带不同从而产生界面电场，致使光生载流子分离而产生光电效应。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明的二维超晶格和二维多层材料构成异质结构的光伏器件，等效于多个二维异质材料相并联，光吸收效率很高。
(2)本发明的二维超晶格和二维多层材料所构成异质结构光伏器件的开关电流比例高达107，具有优异的迁移性和稳定性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为二维超晶格结构的示意图。
图中，1-衬底，2-二氧化硅层，3-多层二维材料，4-二维超晶格结构，41-二维材料层，42-有机分子层，5-金属电极A，6-金属电极B。
具体实施方式
下文结合特定实例说明的实施方式，此处的实施例及各种特征和有关细节将参考附图中图示以及以下描述中详述的非限制性实施例而进行更完整的解释。省略众所周知的部件和处理技术的描述，以免不必要的使此处的实施例难以理解。在制作所述结构时，可以使用半导体工艺中众所周知的传统工艺。此处使用的示例仅仅是为了帮助理解此处的实施例可以被实施的方式，以及进一步使得本领域技术人员能够实施此处的实施例。因而，不应将此处的示例理解为限制此处的实施例的范围。
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例1
一种高效的二维超晶格异质结光伏器件，其结构如图1所示，至少包括衬底1、生长在衬底1上的二氧化硅层2上，以及覆盖在二氧化硅层上的多层二维材料，在多层二维材料部分区域内的各层之间嵌入有机分子层，以形成二维超晶格结构4，二维超晶格结构4由二维材料层41和嵌入的有机分子层42组成，其结构如图2所示，二维超晶格结构4与未嵌入有机分子层42的多层二维材料3部分组成二维超晶格异质结构，二维超晶格异质结构的两端分别生长有金属电极。
上述超晶格异质结光伏器件的制备方法如下：
首先，采用多晶硅为衬底材料，在衬底层上生长一层二氧化硅膜，厚度为300nm。然后，采用机械剥离法制备多层二碲化钼，厚度为5nm以上。之后通过转移技术转移在二氧化硅层2上。
之后，在二碲化钼的部分区域覆盖一层光刻胶。
然后，将多晶硅、二氧化硅和二硫化钼组成的器件结构浸入到十六烷基三甲基溴化铵的电解质溶液中。
随后，在二碲化钼上制作工作电极，并在电解质溶液中制作对电极和参比电极。对电极材料为铂，所述参比电极为银/氯化银。
随之，在工作电极上施加负电压，电压为4V。负电压使得带负电的电子被注入到二碲化钼中。带负电二碲化钼吸引带正电荷的铵正离子进入二碲化钼各原子层之间，铵正离子在二碲化钼层间有序排列形成新的有机分子层，从而构成二维材料/有机分子超晶格。
之后，将器件结构从电化学溶液中取出并清洗，去除光刻胶。再由磁控溅射方法淀积一层200nm厚的金铬膜，然后通过剥离工艺形成两个金电极，即金属电极A 5和金属电极B6。
实施例2
一种高效的二维超晶格异质结光伏器件，其结构与实施例1中相同，除了制备方法改为：
首先，采用多晶硅为衬底材料，在衬底层上生长一层二氧化硅膜，厚度为100nm。
然后，采用机械剥离法一层黑磷，黑磷为多层，厚度为2.5nm以上。之后通过转移技术转移在二氧化硅层上。
之后，在黑磷的部分区域覆盖一层光刻胶。
然后，将多晶硅、二氧化硅和黑磷组成的器件结构浸入到四丁基溴化铵的电解质溶液中。
随后，制作工作电极，对电极和参比电极。工作电极材料为铂，参比电极为银/氯化银。
随之，在工作电极上施加负电压，电压为6V。四丁基溴化铵的正离子基团被吸引到黑磷各单层之间，形成单层原子晶体分子超晶格。
之后，将器件结构从电化学溶液中取出并清洗，去除光刻胶。再由磁控溅射方法淀积一层200nm厚的金铬膜，然后通过剥离工艺形成两个金电极，即金属电极A 5和金属电极B6。
实施例3-7
与实施例1有所不同的是，本实施例中多层二维材料分别替换为二硫化钼、二硒化钨、硒化铟、硒化锡或硫化锗。
实施例8
与实施例1有所不同的是，本实施例中有机分子层42改为选用四十二烷基溴化铵。电极为银金属材料，厚度为10nm。
实施例9
与实施例1有所不同的是，本实施例中二氧化硅层2的厚度为30nm。电极为银金属材料，厚度为10nm。
实施例10
与实施例1有所不同的是，本实施例中在工作电极上施加的负电压为3V。电极为钛金属材料，厚度为100nm。
实施例11
与实施例1有所不同的是，本实施例中在工作电极上施加的负电压为15V。电极为铝金属材料，厚度为200nm。
上述各实施例中制得的存储器单元均带有超晶格材料和二维多层材料构成的异质结光伏器件，相比于常规的单超晶格存储器单元甚至未形成超晶格的存储器单元而言，本发明上述各实施例中的光伏器件具有更高的开关电流比，更高的光吸收效率，以及更加优异的迁移性和稳定性。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高效的二维超晶格异质结光伏器件，其特征在于，至少包括衬底1、生长在衬底(1)上的二氧化硅层(2)，以及覆盖在二氧化硅层(2)上的多层二维材料，在多层二维材料部分区域内的各层之间嵌入有机分子层(42)，以形成二维超晶格结构(4)，所述二维超晶格结构(4)与未嵌入有机分子层的多层二维材料(3)部分组成二维超晶格异质结构，所述二维超晶格异质结构的两端分别生长有金属电极。
2.根据权利要求1所述的一种高效的二维超晶格异质结光伏器件，其特征在于，所述的多层二维材料为二碲化钼、二硫化钼、二硒化钨、硒化铟、硒化锡、黑磷或硫化锗。
3.根据权利要求1所述的一种高效的二维超晶格异质结光伏器件，其特征在于，所述的多层二维材料的厚度在1nm以上。
4.根据权利要求1所述的一种高效的二维超晶格异质结光伏器件，其特征在于，所述的有机分子层(42)中的有机分子为十六烷基三甲基溴化铵、四丁基溴化铵或四十二烷基溴化铵。
5.根据权利要求1所述的一种高效的二维超晶格异质结光伏器件，其特征在于，所述的二氧化硅层(2)的厚度为30-300nm。
6.根据权利要求1所述的一种高效的二维超晶格异质结光伏器件，其特征在于，所述的金属电极材料为金、银、铝或钛，其厚度为10-200nm。
7.如权利要求1-6任一所述的一种高效的二维超晶格异质结光伏器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)取由衬底(1)、二氧化硅层(2)和多层二维材料复合而成的器件结构浸入到含有机分子的电解质溶液中；
b)在多层二维材料上制作工作电极，在多层二维材料上方的电解质溶液中制作对电极和参比电极，再在多层二维材料上施加负电压，使得带正电荷的有机分子嵌入到多层二维材料的部分区域内，形成二维材料/有机分子的二维超晶格结构4，进而得到所述二维超晶格异质结构；
c)最后，在二维超晶格异质结构的两端生长金属电极，即得到目的产物。
8.根据权利要求7所述的一种高效的二维超晶格异质结光伏器件的制备方法，其特征在于，所述的对电极材料为铂，所述参比电极为银/氯化银。
9.根据权利要求7所述的一种高效的二维超晶格异质结光伏器件的制备方法，其特征在于，步骤b)中施加的电压范围为3-15V。
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