CN109023529A - 一种大面积二维BiOI单晶的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种大面积二维BiOI单晶的制备方法，使用BiI3粉末和氧气作为制备BiOI单晶的反应前驱体；使用氟金云母片作为衬底，在解理云母后堆叠按压构造微小反应空间；采用石英管式炉优化升温程序制备出边长达到100μm以上的正方形BiOI单晶,厚度可以达到单层级别。本发明制备的二维BiOI单晶符合化学计量比，晶体缺陷少。由二维BiOI单晶制备的254nm深紫外光探测器，其暗态电流少于10‑12A，开关电流Ion/Ioff比达到100以上，光响应度Rph达到30mA/W，外量子效率EQE接近14.7％，探测度可达2.4×109Jones。

Description

一种大面积二维BiOI单晶的制备方法
技术领域
本发明属于BiOI单晶的制备方法，涉及一种大面积二维BiOI单晶的制备方法。
背景技术
二维材料，科学家们广泛认同的评判标准可归纳为以下三个方面：一是结构有序；二是在二维平面上无限延伸；三是在第三个维度上原子级超薄。二维纳米材料从石墨烯的发现开始，一直是当今纳米科技领域中非常活跃的一个研究方向。其作为探索量子物理的绝佳实验载体，为科研工作者们打开了揭示五彩缤纷量子世界的大门。一些层状材料在二维形态下由于量子约束效应，会表现出一些奇异的物理性质，例如石墨烯的超高电子迁移率以及MoS2能带结构随层数变化的转变(体相时的间接带隙转变为单层时的直接带隙)。目前二维材料家族成员众多，涵盖导体、半导体、超导体到绝缘体各种类型。从最初的输运性质研究，到光电器件和自旋电子器件的探索，二维材料不断地给科研工作者们带来惊喜发现。同时随着半导体芯片特征尺寸的不断缩小，在延续摩尔定律的路上，以二维的无悬挂键层状半导体晶体作为场效应器件的沟道材料将是一个重要的选择路径。然而由于石墨烯的零带隙、黑磷在大气环境下的不稳定性、过渡金属硫族化合物不太高的载流子迁移率，使得对新型二维材料的研究显得非常迫切。
当前的二维材料研究主要集中在一元和二元化合物的研究上。从一元单质烯(石墨烯、磷烯、铋烯等等)到二元的过渡金属硫族化合物，相关的研究结果层出不穷，得到了很多突破性的发现。而三元层状化合物的研究却相对较小，大多围绕着MPS3(M＝Fe、Ni)和Bi2O2X(X＝S、Se、Te)两类材料开展，虽然三元化合物元素组元的增多给材料的制备带来了难题，但是也给其物理化学性质的调控带来了更加宽广的空间。
BiOI是一种单层厚度约为0.9nm的层状材料，理论计算表明其带隙大约为2.2eV,平面内的电子迁移率可以达到700cm2/V·s以上，而且具有很高的大气氛围稳定性，是一种极具研究价值的半导体材料。如何获得大面积二维BiOI单晶是其能够实用于器件批量制造的最先需要解决问题。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种大面积二维BiOI单晶的制备方法，采用一种限域的化学气相沉积(CVD)方法，依靠自行搭建的石英管式炉，以氟金云母作为外延衬底，在低温下就外延获得了大面积正方形的二维BiOI单晶(边长大于100μm)，所制备的晶体经透射电子显微镜(TEM)证实具有很好的晶体质量，是一种极具潜力的新型二维半导体材料。
技术方案
一种大面积二维BiOI单晶的制备方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：将两片云母衬底堆叠起来辅以按压，在云母片夹缝中间形成微小反应空间，然后将上述云母片置于石英舟中，并送入管式炉石英管加热温区正中心位置；
步骤2：将BiI3作为反应前驱体分散于另一石英舟中，然后送入管式炉石英管中，与云母片相距3～9cm；
步骤3：采用高纯氩气冲洗管式炉石英管以排除杂质气体，然后向石英管内持续通入载气和反应气体形成常压反应气氛，其中载气为氩气，流量设定为10～50sccm，反应气体为氧气，流量设定为5～50sccm；
步骤4：第一段以20分钟时间从室温升温至260℃；第二段以5～60分钟时间从260℃升温至反应温度290℃～390℃；第三段保持反应温度恒定10～60min；第四段管式炉自然冷却至室温；
步骤5：从管式炉中取出云母衬底，云母片表面生长有正方形透明状纳米片为二维BiOI单晶。
有益效果
本发明提出的一种大面积二维BiOI单晶的制备方法，使用BiI3粉末和氧气作为制备BiOI单晶的反应前驱体；使用氟金云母片作为衬底，在解理云母后堆叠按压构造微小反应空间；采用石英管式炉优化升温程序制备出边长达到100μm以上的正方形BiOI单晶,厚度可以达到单层级别。本发明制备的二维BiOI单晶符合化学计量比，晶体缺陷少。
该方法所需设备和源材料简单，材料生长温度低、制备出来的BiOI晶体满足化学计量比，晶体缺陷少，厚度达到原子级超薄，边长达到百微米级以上；制备的二维BiOI单晶为该材料的物性研究提供物质基础，同时作为BiOI二维材料的研究为后来研究者提供了一套可参考的大面积制备方案。
本发明的主要创新点是：(1)只需要BiI3粉末和氧气就能获得二维BiOI单晶；(2)使用云母衬底堆叠按压的方法构造出微小化学反应空间以利于材料的二维化生长；(3)获得的二维BiOI单晶边长可达100μm以上；(4)所需设备简单，只需石英管式炉即可，沉积温度低，少于400℃；(5)制备出来的二维BiOI单晶符合化学计量比，晶体缺陷少；(6)该二维BiOI单晶制备的254nm深紫外光探测器，其暗态电流少于10-12A，on/off比例达到100以上，光响应度Rph达到30mA/W，外量子效率EQE接近14.7％，探测度可达2.4×109Jones。
具体实施方式
现结合实施例对本发明作进一步描述：
实施例1:
步骤1：将两片云母衬底堆叠起来辅以按压，在云母片夹缝中间形成微小反应空间，然后将上述云母片置于石英舟中，并送入管式炉石英管加热温区正中心位置；
步骤2：将50mg的BiI3作为反应前驱体分散于另一个石英舟中，然后送入管式炉石英管中，与云母片相距3cm；
步骤3：采用高纯氩气冲洗管式炉石英管以排除杂质气体，然后向石英管内持续通入载气和反应气体形成常压反应气氛，其中载气为氩气，流量设定为20sccm，反应气体为氧气，流量设定为5sccm；
步骤4：第一段以20分钟时间从室温升温至260℃；第二段以5分钟时间从260℃升温至反应温度290℃～390℃；第三段保持反应温度恒定60分钟；第四段管式炉自然冷却至室温；
步骤5：从管式炉中取出云母衬底，云母片表面生长有正方形透明状纳米片为二维BiOI单晶。
实施例2:
步骤1：将两片云母衬底堆叠起来辅以按压，在云母片夹缝中间形成微小反应空间，然后将上述云母片置于石英舟中，并送入管式炉石英管加热温区正中心位置；
步骤2：将100mg的BiI3作为反应前驱体分散于另一个石英舟中，然后送入管式炉石英管中，与云母片相距6cm；
步骤3：采用高纯氩气冲洗管式炉石英管以排除杂质气体，然后向石英管内持续通入载气和反应气体形成常压反应气氛，其中载气为氩气，流量设定为30sccm，反应气体为氧气，流量设定为10sccm；
步骤4：第一段以20分钟时间从室温升温至260℃；第二段以30分钟时间从260℃升温至反应温度350℃；第三段保持反应温度恒定30分钟；第四段管式炉自然冷却至室温；
步骤5：从管式炉中取出云母衬底，云母片表面生长有正方形透明状纳米片为二维BiOI单晶。
实例3：
步骤1：将两片云母衬底堆叠起来辅以按压，在云母片夹缝中间形成微小反应空间，然后将上述云母片置于石英舟中，并送入管式炉石英管加热温区正中心位置；
步骤2：将150mg的BiI3作为反应前驱体分散于另一个石英舟中，然后送入管式炉石英管中，与云母片相距9cm；
步骤3：采用高纯氩气冲洗管式炉石英管以排除杂质气体，然后向石英管内持续通入载气和反应气体形成常压反应气氛，其中载气为氩气，流量设定为50sccm，反应气体为氧气，流量设定为20sccm；
步骤4：第一段以20分钟时间从室温升温至260℃；第二段以60分钟时间从260℃升温至反应温度390℃；第三段保持反应温度恒定10分钟；第四段管式炉自然冷却至室温；
步骤5：从管式炉中取出云母衬底，云母片表面生长有正方形透明状纳米片为二维BiOI单晶。

Claims (1)

1.一种大面积二维BiOI单晶的制备方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：将两片云母衬底堆叠起来辅以按压，在云母片夹缝中间形成微小反应空间，然后将上述云母片置于石英舟中，并送入管式炉石英管加热温区正中心位置；
步骤2：将BiI3作为反应前驱体分散于另一石英舟中，然后送入管式炉石英管中，与云母片相距3～9cm；
步骤3：采用高纯氩气冲洗管式炉石英管以排除杂质气体，然后向石英管内持续通入载气和反应气体形成常压反应气氛，其中载气为氩气，流量设定为10～50sccm，反应气体为氧气，流量设定为5～50sccm；
步骤4：第一段以20分钟时间从室温升温至260℃；第二段以5～60分钟时间从260℃升温至反应温度290℃～390℃；第三段保持反应温度恒定10～60min；第四段管式炉自然冷却至室温；
步骤5：从管式炉中取出云母衬底，云母片表面生长有正方形透明状纳米片为二维BiOI单晶。
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