CN109285891A - 一种石墨烯二维异质结柔性器件结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种石墨烯二维异质结柔性器件结构及其制备方法，以聚合物承载石墨烯薄膜，石墨烯薄膜与二维半导体薄膜构成异质结，采用碳材料或金属材料作为电极形成必要的导电接触，采用氧化物、氮化物或金刚石材料作为绝缘层形成晶体管器件栅极。通过以聚合物承载石墨烯薄膜，并利用范德华力剥离的方法制备器件，工艺简单，设备成本低，所制备的器件覆盖面积可以达到厘米量级，厚度小至纳米量级，可用于构建柔性半导体器件，包括逻辑电路、太阳能电池、光探测器和气体探测器等器件。
Description
技术领域
本发明涉及纳米电子器件领域技术，尤其是指一种石墨烯二维异质结柔性器件结构及其制备方法。
背景技术
半导体材料和器件在人类的生产和生活中发挥了至关重要的作用，可以用于集成逻辑电路，存储芯片，光伏发电，光传感器和气体传感器等领域。技术的发展，使得人们对半导体器件的集成度提出了越来越高的要求，需要不断减小半导体器件的特征尺寸，制备纳米尺寸的电子器件。此外，制备轻便和柔性可弯曲的电子器件是另一个重要发展方向，将推动便携设备和可穿戴设备的商业化应用。传统的半导体器件基于晶体硅等块体半导体材料制造，随着器件设计尺寸的不断减小，块体半导体材料的比表面积增加，材料表面的悬挂键会造成器件的漏电流和功耗上升，表面化学反应也会导致器件工作稳定性下降。另外，块体半导体本身具有脆性，难以作为制造柔性电子器件的材料。
二维材料是一类新兴的电子器件材料，包括石墨烯、黑磷、过渡金属硫化物等。石墨烯是最早发现的二维材料，具有载流子迁移率高，导电性强，透光率高，力学强度高等特点。黑磷和过渡金属硫化物具有0-3eV的禁带宽度，有希望作为半导体器件的沟道材料。相比于块体半导体材料，二维材料的优势在于其表面没有悬挂键，不存在表面积增加造成的漏电流问题。另外，二维材料可以自由弯曲，内部有较强的共价键合能够承受较大的拉伸。
目前，基于石墨烯的二维电子器件的制备仍然很困难，极少数文献报道了在硬质基底（如硅片）表面制备的二维电子器件，其中方法不能实现大面积器件的批量制备和柔性器件的制备。
发明内容
有鉴于此，本发明针对现有技术存在之缺失，其主要目的是提供一种石墨烯二维异质结柔性器件结构及其制备方法，其能有效解决现有之石墨烯的二维电子器件制备困难的问题。
为实现上述目的，本发明采用如下之技术方案：
一种石墨烯二维异质结柔性器件结构，以聚合物承载石墨烯薄膜，石墨烯薄膜与二维半导体薄膜构成异质结，采用碳材料或金属材料作为电极形成必要的导电接触，采用氧化物、氮化物或金刚石材料作为绝缘层形成晶体管器件栅极。
作为一种优选方案，所述聚合物为聚乙烯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯或聚二甲基硅氧烷，又或者是上述聚合物中两种或两种以上的混合物或共聚物。
作为一种优选方案，所述聚合物的厚度为100nm-1cm。
作为一种优选方案，所述二维半导体薄膜为黑磷、二硫化钼、二硫化钨、二硫化钒、二硫化铌、二硫化钽、二硫化钛、二硫化锆、二硫化铪、二硫化铂、二硫化钯、二硒化钼、二硒化钨、二硒化钒、二硒化铌、二硒化钽、二硒化钛、二硒化锆、二硒化铪、二硒化铂、二硒化钯、二碲化钼、二碲化钨、二碲化钒、二碲化铌、二碲化钽、二碲化钛、二碲化锆、二碲化铪、二碲化铂、二碲化钯或二硫化锡。
作为一种优选方案，所述二维半导体薄膜厚度为0.1nm-100nm。
一种石墨烯二维异质结柔性器件结构的制备方法，包括有以下步骤：
(1) 以聚合物作为基底，承载大面积石墨烯薄膜，得到聚合物/石墨烯复合薄膜；
(2) 将聚合物/石墨烯复合薄膜的石墨烯一侧贴紧二维半导体薄膜，对聚合物层施加压力，使石墨烯薄膜与二维半导体薄膜充分接触；
(3) 提起聚合物/石墨烯薄膜，使纳米厚度的二维半导体薄膜通过范德华力吸附在石墨烯薄膜的表面；
(4) 在吸附有二维半导体的聚合物/石墨烯薄膜表面沉积一定形状的绝缘材料，作为绝缘层；
(5) 在石墨烯薄膜和二维半导体薄膜边缘沉积一定形状的导电材料，作为引出电极。
作为一种优选方案，所述步骤（1）中石墨烯薄膜采用化学气相沉积法或氧化石墨还原法制备，其厚度为0.3nm-100nm，面积为100μm2-1m2。
作为一种优选方案，所述步骤（1）中石墨烯薄膜采用化学气相沉积法制备时，聚合物/石墨烯复合薄膜的制备方法为：在石墨烯薄膜表面旋涂聚合物溶液并固化。
作为一种优选方案，所述步骤（1）中石墨烯薄膜采用还原氧化石墨法制备时，聚合物/石墨烯复合薄膜的制备方法为：在聚合物薄膜表面旋涂石墨烯分散液，干燥后加热固化。
作为一种优选方案，所述绝缘材料为氮化硼、氮化硅、二氧化硅或金属氧化物，厚度为0.1nm-800nm。
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果，具体而言，由上述技术方案可知：
通过以聚合物承载石墨烯薄膜，并利用范德华力剥离的方法制备器件，工艺简单，设备成本低，所制备的器件覆盖面积可以达到厘米量级，厚度小至纳米量级，可用于构建柔性半导体器件，包括逻辑电路、太阳能电池、光探测器和气体探测器等器件。
为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对本发明进行详细说明。
附图说明
图1是本发明之实施例1中的结构示意图；
图2是本发明之实施例2中的结构示意图。
附图标识说明：
11、聚二甲基硅氧烷 12、石墨烯薄膜
13、二硫化钼MoS2片层 14、绝缘层
15、电极 21、聚甲基丙烯酸甲酯
22、石墨烯薄膜 23、二硒化钨WSe2片层
24、绝缘层 25、电极。
具体实施方式
本发明揭示了一种石墨烯二维异质结柔性器件结构，以聚合物承载石墨烯薄膜，石墨烯薄膜与二维半导体薄膜构成异质结，采用碳材料或金属材料作为电极形成必要的导电接触，采用氧化物、氮化物或金刚石材料作为绝缘层形成晶体管器件栅极。所述聚合物为聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚苯乙烯（PS）、聚碳酸酯（PC）或聚二甲基硅氧烷（PDMS），又或者是上述聚合物中两种或两种以上的混合物或共聚物。所述聚合物的厚度为100nm-1cm。
所述二维半导体薄膜为黑磷、二硫化钼（MoS2）、二硫化钨（WS2）、二硫化钒（VS2）、二硫化铌（NbS2）、二硫化钽（TaS2）、二硫化钛（TiS2）、二硫化锆（ZrS2）、二硫化铪（HfS2）、二硫化铂（PtS2）、二硫化钯（PdS2）、二硒化钼（MoSe2）、二硒化钨（WSe2）、二硒化钒（VSe2）、二硒化铌（NbSe2）、二硒化钽（TaSe2）、二硒化钛（TiSe2）、二硒化锆（ZrSe2）、二硒化铪（HfSe2）、二硒化铂（PtSe2）、二硒化钯（PdSe2）、二碲化钼（MoTe2）、二碲化钨（WTe2）、二碲化钒（VTe2）、二碲化铌（NbTe2）、二碲化钽（TaTe2）、二碲化钛（TiTe2）、二碲化锆（ZrTe2）、二碲化铪（HfTe2）、二碲化铂（PtTe2）、二碲化钯（PdTe2）或二硫化锡（SnS2），所述二维半导体薄膜厚度为0.1nm-100nm。
本发明还公开了一种石墨烯二维异质结柔性器件结构的制备方法包括有以下步骤：
(1) 以聚合物作为基底，承载大面积石墨烯薄膜，得到聚合物/石墨烯复合薄膜；石墨烯薄膜采用化学气相沉积法或氧化石墨还原法制备，其厚度为0.3nm-100nm，面积为100μm2-1m2。当石墨烯薄膜采用化学气相沉积法制备时，聚合物/石墨烯复合薄膜的制备方法为：在石墨烯薄膜表面旋涂聚合物溶液并固化。而当石墨烯薄膜采用还原氧化石墨法制备时，聚合物/石墨烯复合薄膜的制备方法为：在聚合物薄膜表面旋涂石墨烯分散液，干燥后加热固化。
(2) 将聚合物/石墨烯复合薄膜的石墨烯一侧贴紧二维半导体薄膜，对聚合物层施加压力，使石墨烯薄膜与二维半导体薄膜充分接触。
(3) 提起聚合物/石墨烯薄膜，使纳米厚度的二维半导体薄膜通过范德华力吸附在石墨烯薄膜的表面。
(4) 在吸附有二维半导体的聚合物/石墨烯薄膜表面沉积一定形状的绝缘材料，作为绝缘层。所述绝缘材料为氮化硼、氮化硅、二氧化硅或金属氧化物，厚度为0.1nm-800nm。
(5) 在石墨烯薄膜和二维半导体薄膜边缘沉积一定形状的导电材料，作为引出电极。
下面以多个实施例对本发明作进一步详细说明：
请参照图1所示，其显示出了本发明之实施例1的具体结构，采用化学气相沉积法制备厚度为0.3nm，面积为100cm2的石墨烯薄膜12，在其表面涂覆一层1mm厚的聚二甲基硅氧烷11 ，构成聚合物(PDMS)/石墨烯复合薄膜。将该聚合物/石墨烯复合薄膜的石墨烯一侧覆盖到沉积于硅片表面的三角形单晶体二硫化钼MoS2片层，在聚合物一侧施加压力。将聚合物/石墨烯复合薄膜与硅片分离，得到吸附在石墨烯表面的三角形单晶体二硫化钼MoS2片层13。在二硫化钼片层边缘与聚合物边缘之间沉积一块矩形氮化硼薄膜作为绝缘层14，在绝缘层14上和石墨烯边缘沉积碳纳米管作为引出电极15。
请参照图2所示，其显示出了本发明之实施例2的具体结构，在厚度500nm的聚甲基丙烯酸甲酯21的表面，采用旋转涂覆法得到厚度为10nm、面积为100mm2的石墨烯薄膜22，构成聚合物(PMMA)/石墨烯复合薄膜。对石墨烯薄膜22进行等离子体刻蚀，在矩形区域中完全刻蚀去除石墨烯，得到沟道区域。将该聚合物/石墨烯复合薄膜的石墨烯一侧覆盖到沉积于硅片表面的二硒化钨WSe2，将沟道区域对准二硒化钨WSe2，在聚合物一侧施加压力。将聚合物/石墨烯复合薄膜与硅片分离，得到吸附在石墨烯表面的二硒化钨WSe2片层23。在二硒化钨片层边缘与聚合物边缘之间沉积一块矩形氮化硅薄膜作为绝缘层24，在绝缘层24上和石墨烯边缘沉积铜作为引出电极25。
本发明的设计重点在于：通过以聚合物承载石墨烯薄膜，并利用范德华力剥离的方法制备器件，工艺简单，设备成本低，所制备的器件覆盖面积可以达到厘米量级，厚度小至纳米量级，可用于构建柔性半导体器件，包括逻辑电路、太阳能电池、光探测器和气体探测器等器件。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种石墨烯二维异质结柔性器件结构，其特征在于：以聚合物承载石墨烯薄膜，石墨烯薄膜与二维半导体薄膜构成异质结，采用碳材料或金属材料作为电极形成必要的导电接触，采用氧化物、氮化物或金刚石材料作为绝缘层形成晶体管器件栅极。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯二维异质结柔性器件结构，其特征在于：所述聚合物为聚乙烯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯或聚二甲基硅氧烷，又或者是上述聚合物中两种或两种以上的混合物或共聚物。
3.根据权利要求1所述的一种石墨烯二维异质结柔性器件结构，其特征在于：所述聚合物的厚度为100nm-1cm。
4.根据权利要求1所述的一种石墨烯二维异质结柔性器件结构，其特征在于：所述二维半导体薄膜为黑磷、二硫化钼、二硫化钨、二硫化钒、二硫化铌、二硫化钽、二硫化钛、二硫化锆、二硫化铪、二硫化铂、二硫化钯、二硒化钼、二硒化钨、二硒化钒、二硒化铌、二硒化钽、二硒化钛、二硒化锆、二硒化铪、二硒化铂、二硒化钯、二碲化钼、二碲化钨、二碲化钒、二碲化铌、二碲化钽、二碲化钛、二碲化锆、二碲化铪、二碲化铂、二碲化钯或二硫化锡。
5.根据权利要求1所述的一种石墨烯二维异质结柔性器件结构，其特征在于：所述二维半导体薄膜厚度为0.1nm-100nm。
6.一种如权利要求1至5任一项所述的一种石墨烯二维异质结柔性器件结构的制备方法，其特征在于：包括有以下步骤：
(1) 以聚合物作为基底，承载大面积石墨烯薄膜，得到聚合物/石墨烯复合薄膜；
(2) 将聚合物/石墨烯复合薄膜的石墨烯一侧贴紧二维半导体薄膜，对聚合物层施加压力，使石墨烯薄膜与二维半导体薄膜充分接触；
(3) 提起聚合物/石墨烯薄膜，使纳米厚度的二维半导体薄膜通过范德华力吸附在石墨烯薄膜的表面；
(4) 在吸附有二维半导体的聚合物/石墨烯薄膜表面沉积一定形状的绝缘材料，作为绝缘层；
(5) 在石墨烯薄膜和二维半导体薄膜边缘沉积一定形状的导电材料，作为引出电极。
7.根据权利要求6所述的一种石墨烯二维异质结柔性器件结构的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中石墨烯薄膜采用化学气相沉积法或氧化石墨还原法制备，其厚度为0.3nm-100nm，面积为100μm2-1m2。
8.根据权利要求6所述的一种石墨烯二维异质结柔性器件结构的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中石墨烯薄膜采用化学气相沉积法制备时，聚合物/石墨烯复合薄膜的制备方法为：在石墨烯薄膜表面旋涂聚合物溶液并固化。
9.根据权利要求6所述的一种石墨烯二维异质结柔性器件结构的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中石墨烯薄膜采用还原氧化石墨法制备时，聚合物/石墨烯复合薄膜的制备方法为：在聚合物薄膜表面旋涂石墨烯分散液，干燥后加热固化。
10.根据权利要求6所述的一种石墨烯二维异质结柔性器件结构的制备方法，其特征在于：所述绝缘材料为氮化硼、氮化硅、二氧化硅或金属氧化物，厚度为0.1nm-800nm。
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