CN110195259A

CN110195259A - 一种生长在Si衬底上的In2Se3二维材料及其制备方法

Info

Publication number: CN110195259A
Application number: CN201910581440.3A
Authority: CN
Inventors: 王文樑; 李国强; 谢欣灵; 赖书浩; 陈德润
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2019-06-29
Filing date: 2019-06-29
Publication date: 2019-09-03

Abstract

本发明公开了一种生长在Si衬底上的In₂Se₃二维材料及其制备方法。所述制备方法包括：采用Si片作为衬底；使用无水乙醇清洗Si片，使外延生长面光滑无尘，风干得到清洗后的Si片；将清洗后的Si片放入CVD设备的玻璃管内，将Se粉、In颗粒放入CVD设备的玻璃管内的相应位置，抽真空处理，通入氩气作为保护气；升温使Se在外延生长面恒温生长，升温使In在外延生长面恒温生长，得到生长在Si衬底上的In₂Se₃二维材料。本发明提供的制备方法具有生长工艺简单、实施可行性高等的优点。通过本发明提供的制备方法，生长出禁带宽度连续可调，并可用于制造光探测器及太阳能电池等应用的In₂Se₃二维材料。

Description

一种生长在Si衬底上的In2Se3二维材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及In₂Se₃二维材料生长领域，具体涉及一种生长在Si衬底上的In₂Se₃二维材料及其制备方法。

背景技术

近半个世纪以来，半导体技术作为现代高新技术的核心，取得了飞快的发展。2004年石墨烯的成功制备开启了研究二维材料的新篇章。二维材料由于其特殊的电学、光学性能而备受关注，成为了科研界的研究热点，也广泛应用于电子器件跟光电子器件领域，如光电探测器、太阳能电池以及光电异质结二极管等器件。目前受到广泛研究的SiC、TiO₂、ZnS等较宽带隙的半导体材料由于只能吸收太阳光谱中的部分光谱，使得太阳光谱中的大部分可见光不能被有效利用，因此限制了其被广泛应用。CZTS和FeS₂等硫属光电材料由于性能不佳，无法获得高效率器件。而石墨烯由于没有带隙，进而极大地限制了其在逻辑电路中的应用。虽有研究者尝试用不同的方法在石墨烯中引入带隙，但是都收效甚微。因此，开发稳定、高性能的半导体材料成为技术研究的热点跟难点。其中，新型二维材料In₂Se₃表现出了巨大的潜力。第一，In₂Se₃具有特殊的禁带宽度，能够有效吸收可见光以及近红外光，将光能转化为其他形式的能量。第二，In₂Se₃结晶温度高，电阻率大，这可以使基于In₂Se₃制备的器件工作电流变小，还可以有效降低热量的耗散比例，同时增加数据的存储时间。第三，In₂Se₃具有高的电子迁移率,也具有更高的稳定性以及更大能带可调等性质。第四，In₂Se₃具有多物相的特点，也是目前研究相变存储器的一种具有非常大潜在价值的材料。可见，In₂Se₃二维材料是制备光电器件的重要材料。

目前，制备二维材料主要包括机械剥离、物理沉积(PVD)以及化学气相沉积(CVD)等方法。其中，机械剥离方法虽然操作简单，但是所得样品的形状尺寸不规则，也很难将样品剥离至单层，并且剥离过程中引入的残胶对于后期的器件制备和性能均有很大影响；而PVD方法生长出来的单晶普遍尺寸较小，并且厚度也参差不齐。相比之下，CVD方法是制备二维材料的最佳方法。许多报告指出，二维材料的物理跟化学性质的潜能是可以通过化学气相沉积方法实现的。因为该方法可以通过改变生长条件，可控制备出单层及少层的单晶，所得到的样品尺寸也比较大。因此，本发明采用CVD方法制备In₂Se₃二维材料。目前合成的In₂Se₃二维材料在产物纯度、产量跟成本的控制上还存在较大问题，也即大规模高质量的、稳定的、高性能的In₂Se₃二维纳米材料的制备还在进一步探索中。

发明内容

为了克服现有技术存在的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种生长在Si衬底上的In₂Se₃二维材料及其制备方法。所述In₂Se₃二维材料具有生长工艺简单，生长所需设备较少，可行性高的优点。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

本发明提供的一种生长在Si衬底上的In₂Se₃二维材料的制备方法，包括如下步骤：

（1）衬底准备：采用Si（硅）片作为衬底；使用无水乙醇清洗Si片，使外延生长面光滑无尘，风干得到清洗后的Si片；

（2）原料准备：取两个坩埚，用微量药勺将Se粉（硒粉）加入第一坩埚中，用微量药勺将In颗粒（铟颗粒）加入第二坩埚中，将第一坩埚放入CVD玻璃管的第一温区中，将第二坩埚放入CVD玻璃管的第三温区中，将步骤（1）所述清洗后的Si片放入CVD玻璃管中，然后打开抽真空设备的机械泵对CVD玻璃管进行抽真空处理，使玻璃管内的气压保持在5pa以下；

（3）采用化学气相沉积法进行反应：向CVD玻璃管中通入氩气，加热，恒温生长处理，降温至40-50摄氏度，取出样品，得到所述生长在Si衬底上的In₂Se₃二维材料。

进一步地，步骤（1）所述外延生长面为（111）面、（110）面或（100）面。

进一步地，步骤（2）所述Se粉与In颗粒的质量比为0.5-2：1；所述抽真空处理，使玻璃管内的气压为5pa以下。

优选地，步骤（2）所述Se粉与In颗粒的质量比为1：1。

进一步地，步骤（2）选用第一温区和第三温区进行恒温生长处理，而不选择第二温区；是因为两种反应原材料生长所需的温度相差比较大，如果选用相邻的两个温区进行恒温生长处理的话，会彼此产生影响，因此优选第三温区和第一温区进行恒温生长处理。

进一步地，步骤（3）所述氩气的流量为30-40sccm。

进一步地，步骤（3）所述加热，是使加热后第一温区的温度为150-350摄氏度，第三温区的温度为700-900摄氏度

进一步地，步骤（3）所述恒温生长处理，Se在外延生长面恒温生长的时间为6-10分钟；In在外延生长面恒温生长的时间为6-10分钟。优选地，Se在外延生长面恒温生长的温度为180-350摄氏度。

优选地，In在外延生长面恒温生长的温度为760-900摄氏度。

进一步地，步骤（3）所述恒温生长处理的过程中，玻璃管内的气压保持在5pa以下。

进一步地，步骤（3）所述生长在Si衬底上的In₂Se₃二维材料的厚度为10-20nm。

进一步地，步骤（3）所述生长在Si衬底上的In₂Se₃二维材料的晶格结构为六方晶系；所述生长在Si衬底上的In₂Se₃二维材料具有α、β、γ、δ及κ相这5种晶格相。

本发明提供一种由上述的制备方法制得的生长在Si衬底上的In₂Se₃二维材料（薄膜）。本发明采用的CVD法具有设备简单、反应条件可控的特点，并且以单质材料作为生长源，提供了一种稳定高效的In₂Se₃二维纳米材料的生长方法。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

（1）本发明提供的制备方法，生长所需的In和Se均采用单质作为原材料来源参与反应，具有原料来源广泛、成本较低、反应相对充分、产物纯度较高等优点；

（2）本发明提供的制备方法，采用化学气相工艺进行反应，具有所用生长设备较少、设备操作简单，实施可行性高等优点，此方法可以通过改变生长条件，可控制备出单层及少层的单晶，所得到的样品尺寸也比较大；

（3）本发明提供的制备方法，使用Si片作为衬底，而Si具有储量丰富、提纯及加工工艺成熟、热导率高，能有效改善器件工作时的散热问题等优点。另外，Si能够耐高温，有较好的抗辐射性能，适合用来制作大功率器件。

附图说明

图1为实施例1提供的生长在Si衬底上的二维In₂Se₃材料的分布示意图；

图2为实施例1提供的生长在Si衬底上的In₂Se₃二维材料的高分辨透射电子显微镜图。

具体实施方式

以下结合附图和实例对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此。需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程，均是本领域技术人员可参照现有技术实现或理解的。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，视为可以通过市售购买得到的常规产品。

实施例1

本实施例的生长在Si衬底上的In₂Se₃二维材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）采用光滑Si片作为衬底，选取（111）面为外延生长面；

（2）使用无水乙醇清洗Si片，使外延生长面光滑无尘，风干得到清洗后的Si片；

（3）取两个坩埚，分别命名为1号坩埚和2号坩埚，将0.03g Se粉加入1号坩埚，将0.03gIn颗粒加入2号坩埚中，将1号坩埚放入CVD玻璃管的第一温区中，将2号坩埚放入CVD玻璃管的第三温区中，将步骤（2）所述清洗后的Si片放入CVD玻璃管中；

（4）采用化学气相沉积法进行反应：打开抽真空设备的机械泵进行抽真空操作，使玻璃管内的气压保持在5pa以下；调节气体流量计，通入氩气作为保护气，并控制氩气流量为30sccm；设定设备程序，启动反应，使Se在350℃时恒温生长6分钟，使In在850℃时恒温生长6分钟，恒温生长的过程中，玻璃管内的气压保持在5pa以下；再让其自然降温；降温至40摄氏度，停止通氩气，关闭抽真空设备，再打开进气阀，随后将样品取出，放在密封袋中保存，得到所述生长在Si衬底上的In₂Se₃二维材料，所述In₂Se₃二维材料生长在硅衬底上，如图1所示。

将所制得的材料进行SEM测试，结果如图2所示，从图2中可看出，材料中的晶粒尺寸为3-5微米，厚度为10-20纳米，晶体图案为五边形、六角形或圆形，且分布均匀。实施例2和实施例3的效果与实施例1相似，可参照图1和图2。

实施例2

（1）采用光滑Si片作为衬底，选取（111）面为外延生长面；

（4）采用化学气相沉积法进行反应：打开抽真空设备的机械泵进行抽真空操作，使玻璃管内的气压保持在5pa以下；调节气体流量计，通入氩气作为保护气，并控制氩气流量为35sccm；设定设备程序，启动反应，使Se在180℃时恒温生长10分钟，使In在760℃时恒温生长10分钟，恒温生长的过程中，玻璃管内的气压保持在5pa以下，再让其自然降温；降温至45摄氏度，停止通氩气，关闭抽真空设备，再打开进气阀，随后将样品取出，放在密封袋中保存，得到所述生长在Si衬底上的In₂Se₃二维材料。

实施例2制得的生长在Si衬底上的In₂Se₃二维材料效果与实施例1相似，可参照图1和图2。

实施例3

（1）采用光滑Si片作为衬底，选取（111）面为外延生长面；

（4）采用化学气相沉积法进行反应：打开抽真空设备的机械泵进行抽真空操作，使玻璃管内的气压保持在5pa以下；调节气体流量计，通入氩气作为保护气，并控制氩气流量为40sccm；设定设备程序，启动反应，使Se在300℃时恒温生长8分钟，使In在900℃时恒温生长8分钟，恒温生长的过程中，玻璃管内的气压保持在5pa以下，再让其自然降温；降温至50摄氏度，停止通氩气，关闭抽真空设备，再打开进气阀，随后将样品取出，放在密封袋中保存，得到所述生长在Si衬底上的In₂Se₃二维材料。

本实施例制备的二维In₂Se₃材料具有与实施例1相近的效果，可参照图1和图2，在此不再赘述。

以上实施例仅为本发明较优的实施方式，仅用于解释本发明，而非限制本发明，本领域技术人员在未脱离本发明精神实质下所作的改变、替换、修饰等均应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种生长在Si衬底上的In₂Se₃二维材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）采用Si片作为衬底；使用无水乙醇清洗Si片，使外延生长面光滑无尘，风干得到清洗后的Si片；

（2）取两个坩埚，将Se粉加入第一坩埚中，将In颗粒加入第二坩埚中，将第一坩埚放入CVD玻璃管的第一温区中，将第二坩埚放入CVD玻璃管的第三温区中，将步骤（1）所述清洗后的Si片放入CVD玻璃管中，然后对CVD玻璃管抽真空处理；

（3）向CVD玻璃管中通入氩气，加热，恒温生长处理，降温至40-50摄氏度，取出样品，得到所述生长在Si衬底上的In₂Se₃二维材料。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述外延生长面为（111）面、（110）面或（100）面。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述Se粉与In颗粒的质量比为0.5-2：1；所述抽真空处理，是使玻璃管内的气压为5pa以下。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）所述氩气的流量为30-40sccm。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）所述加热，是使加热后第一温区的温度为150-350摄氏度，第三温区的温度为700-900摄氏度。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）所述恒温生长处理，Se在外延生长面恒温生长的时间为6-10分钟；In在外延生长面恒温生长的时间为6-10分钟。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）所述恒温生长处理的过程中，玻璃管内的气压保持在5pa以下。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）所述生长在Si衬底上的In₂Se₃二维材料的厚度为10-20nm。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）所述生长在Si衬底上的In₂Se₃二维材料的晶格结构为六方晶系；所述生长在Si衬底上的In₂Se₃二维材料具有α、β、γ、δ及κ相这5种晶格相。

10.一种由权利要求1-9任一项所述的制备方法制得的生长在Si衬底上的In₂Se₃二维材料。