CN110224025A - 基于黑磷二维半导体的柔性铁电光伏场效应管的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于黑磷二维半导体的柔性铁电光伏场效应管的制备方法。所述方法以柔性云母作为衬底，采用旋涂的方法在上面制备具有导电能力的镍酸镧作为底栅极，再旋涂锆钛酸铅铁电层作为场效应管的栅极绝缘层，然后采用光刻的方法刻蚀出场效应管的源漏电极图案并进行磁控溅射沉积电极材料，再利用热解胶带在上面转移二维材料黑磷，并通过电子束曝光的方法刻蚀出二维材料与源漏电极的连接线图形，最后通过热蒸镀的方法将图形覆盖电极材料，完成柔性铁电光伏场效应管的制备。本发明采用柔性云母作为衬底，制备的场效应管器件具备良好的柔韧性，并且能够利用铁电薄膜的极化和光照调控黑磷电子输运特性，满足电子器件柔性化、可穿戴化的发展需求。
Description
技术领域
本发明属于场效应管的制备技术领域，涉及一种基于黑磷二维半导体的柔性铁电光伏场效应管的制备方法。
背景技术
自石墨烯制备出来后，二维材料受到广泛关注，特别是在电子器件方面的应用越来越广泛。单层石墨烯是一种近乎于零带隙的材料，其导电性能可媲美导体，但是随石墨烯层数的增加其导电性能急剧下降，在电子器件应用方面，难以达到所需的性能，所以一直以来都在找寻石墨烯的有效替代品。黑磷是一种可替代石墨烯的新型二维半导体材料。单层的黑磷的带隙一般在1eV左右，通过增加其层数可以将带隙调节到0.33eV，无论是单层或者是多层黑磷都是直接带隙，这也就意味着能够被较宽波段的光激发产生光生载流子。同样通过调节黑磷的层数可以实现被激发光波波段从可见光到近红外的完全覆盖。黑磷相比于石墨烯来说能够在相同条件下实现较高的开关比。黑磷与其他的一些二维半导体，例如过渡金属硫族化合物相比，具有更少的晶体缺陷、更快的光学响应。另外由于黑磷是直接带隙半导体，所以可被光直接进行激发，光电效应所需条件较为简单。
对于铁电材料来讲，锆钛酸铅(PZT)无疑是最为传统的且性能最为优异的。将其与二维材料相结合，并整合到场效应管中有望实现铁电极化和光照对半导体导电通道的电子输运能力进行有效的调控。Xudong Wang等人[Advanced Materials 27,42(2016)]制备出以P(VDF-TrEE)为栅极绝缘层，二维MoSe2为半导体的铁电场效应管，其开关比提升到了107，且与同类器件相比具有较好的保存性能(在开关比率大于104的情况下保持时间>2×103s)与循环稳定性(在开关比率大于104的情况下循环次数>104cycle)。之后年ChanghyunKo[Advanced Materials 28,15(2016)]等人将PZT为栅极绝缘层，选用MoS2以及WSe2作为半导体层成功制备出铁电场效应管，在0栅压下其开关比分别达到104与105量级，其保存性能有较大的提升(在开关比率大于104的情况下保持至少2×104s)。
然而，上述制备的场效应管均是在硬质衬底(如：硅单晶、钌酸锶单晶)上进行，所以不具备柔韧性，不符合当前器件柔性化、可穿戴化的发展趋势。基于柔性化的考虑，本发明公开一种一种基于黑磷二维半导体的柔性铁电光伏场效应管的制备方法，创新性地采用云母作为衬底，由于云母片层状的晶体结构，所以在制备完成后可以轻易地对其进行机械剥离，使其具备良好的柔韧性满足目前电子器件柔性化、可穿戴化的发展需求，并进一步推动电子器件的结构优化与升级换代。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于黑磷二维半导体的柔性铁电光伏场效应管的制备方法，该方法以柔性云母作为衬底，利用铁电功能薄膜PZT作为场效应晶体管的栅极绝缘层，通过铁电层的极化和二维材料的光伏特性来调控黑磷的电子输运特性。
实现本发明目的的技术方案如下：
基于黑磷二维半导体的柔性铁电光伏场效应管的制备方法，具体步骤如下：
步骤1，采用旋涂的方法在柔性云母衬底上依次制备镍酸镧(LNO)薄膜电极和PZT薄膜，并将制备的复合薄膜在650～750℃下进行退火处理，处理10～20分钟，结束后随炉冷却至室温，得到具有铁电性能的PZT薄膜；
步骤2，在具有铁电性能的PZT薄膜上通过光刻技术，经旋涂光刻胶、烘烤、紫外光曝光、显影、漂洗、烘烤，得到所需要的源漏电极图形，并利用磁控溅射依次沉积10～15nm的Cr以及80～90nm的Au作为源漏电极，然后在丙酮中浸泡并超声处理去除多余的光刻胶；
步骤3，利用热解胶带将机械剥离的黑磷转移到裸露的PZT薄膜上，作为场效应管的半导体层，加热去除热解胶带；
步骤4，在转移后的二维半导体黑磷上通过电子束曝光技术，经旋涂光刻胶、烘烤、电子束曝光、显影、漂洗、烘烤，得到联通黑磷与源漏电极的引线图形，最后经过热蒸镀10～15nm的Cr以及70～80nm的Au作为连接黑磷与源漏电极引线，制成基于黑磷二维半导体的柔性铁电光伏场效应管。
优选地，步骤1中，所述的柔性云母衬底表面起伏低于5nm。
优选地，步骤1中，所述的PZT薄膜厚度为200～300nm，表面起伏小于10nm。
优选地，步骤1中，旋涂PZT薄膜时，采用的PZT基溶胶的浓度为0.6mol/L。
优选地，步骤1中，所述的退火时间为10～20min。
优选地，步骤3中，所述的转移的黑磷层数为10层以上，总厚度为15～25nm。
优选地，所述的PZT薄膜的成分为无机铁电材料Pb(Zr0.52Ti0.48)O3。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明采用云母作为衬底，由于云母片层状的晶体结构，可以轻易地对其进行机械剥离作为柔性衬底，使制备出的场效应管器件具备良好的柔韧性。并且能够利用铁电薄膜的极化和光照调控黑磷电子输运特性，不仅满足目前电子器件柔性化、可穿戴化的发展需求，而且利用该方法制备晶体管器件工艺成熟，成本低廉，制备简单。
附图说明
图1为铁电薄膜和光照调控黑磷电子输运特性的柔性铁电光伏场效应晶体管的制备流程图。
图2为基于黑磷二维半导体的柔性铁电光伏场效应管的结构示意图，
其中，①为柔性云母衬底；②为LNO栅电极；③为PZT基无机铁电薄膜；④为源漏金属电极；⑤为黑磷二维半导体。
图3为基于黑磷二维半导体的柔性铁电光伏场效应管的转移特性曲线。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详述。
实施例1
结合图1，基于黑磷二维半导体的柔性铁电光伏场效应管的制备方法，具体步骤为：
对采购来的10×10×0.2mm3的氟晶云母片进行机械剥离，保证其表面的洁净度和平整度。然后采用旋涂的方法在上面旋涂配置好的0.3mol/L的LNO溶胶，旋涂参数为800rpm×6s+4000rpm×30s，并对其在400℃烘干8分钟然后在700℃进行热处理20分钟使其成相。
将0.6mol/L的PZT溶胶滴在LNO电极上旋涂，旋涂参数为600rpm×6s+3000rpm×30s，并对其在300℃烘干8分钟，然后在700℃进行热处理20分钟使其成相。并重复此操作至PZT薄膜厚度达到300nm左右。
利用光刻的方法，经旋涂光刻胶、烘烤、紫外光曝光、显影、漂洗、烘烤等步骤，得到所需要的源漏电极图形，并利用磁控溅射沉积10～15nm的Cr以及80～90nm的Au作为源漏电极，然后在丙酮中浸泡并超声处理去除多余的光刻胶。
利用热解胶带将机械剥离的黑磷转移到裸露的PZT薄膜上，作为场效应管的半导体层，通过加热去除热解胶带。
在转移后的二维半导体黑磷上通过电子束曝光技术，经旋涂光刻胶、烘烤、电子束曝光、显影、漂洗、烘烤，得到联通黑磷与源漏电极的引线图形，最后经过热蒸镀10～15nm的Cr以及70～80nm的Au作为连接黑磷与源漏电极引线。
制得的具有铁电极化和光照调控的柔性铁电光伏场效应晶体管器件，其结构示意图见图2。
实施例2
基于黑磷二维半导体的柔性铁电光伏场效应管的制备方法，具体步骤为：
对采购来的10×10×0.2mm3的氟晶云母片进行机械剥离，保证其表面的洁净度和平整度。然后采用旋涂的方法在上面旋涂配置好的0.3mol/L的LNO溶胶，旋涂参数为800rpm×6s+4000rpm×30s，并对其在400℃烘干8分钟然后在650℃进行热处理20分钟使其成相。
将0.6mol/L的PZT溶胶滴在LNO电极上旋涂，旋涂参数为600rpm×6s+3000rpm×30s，并对其在300℃烘干8分钟，然后在650℃进行热处理20分钟使其成相。并重复此操作至PZT薄膜厚度达到300nm左右。
利用光刻的方法，经旋涂光刻胶、烘烤、紫外光曝光、显影、漂洗、烘烤等步骤，得到所需要的源漏电极图形，并利用磁控溅射沉积10～15nm的Cr以及80～90nm的Au作为源漏电极，然后在丙酮中浸泡并超声处理去除多余的光刻胶。
利用热解胶带将机械剥离的黑磷转移到裸露的PZT薄膜上，作为场效应管的半导体层，通过加热去除热解胶带。
在转移后的二维半导体黑磷上通过电子束曝光技术，经旋涂光刻胶、烘烤、电子束曝光、显影、漂洗、烘烤，得到联通黑磷与源漏电极的引线图形，最后经过热蒸镀10～15nm的Cr以及70～80nm的Au作为连接黑磷与源漏电极引线。
制得具有铁电极化和光照调控的柔性铁电光伏场效应晶体管器件。
实施例3
基于黑磷二维半导体的柔性铁电光伏场效应管的制备方法，具体步骤为：
对采购来的10×10×0.2mm3的氟晶云母片进行机械剥离，保证其表面的洁净度和平整度。然后采用旋涂的方法在上面旋涂配置好的0.3mol/L的LNO溶胶，旋涂参数为800rpm×6s+4000rpm×30s，并对其在400℃烘干8分钟然后在750℃进行热处理20分钟使其成相。
将0.6mol/L的PZT溶胶滴在LNO电极上旋涂，旋涂参数为600rpm×6s+3000rpm×30s，并对其在300℃烘干8分钟，然后在750℃进行热处理20分钟使其成相。并重复此操作至PZT薄膜厚度达到300nm左右。
利用光刻的方法，经旋涂光刻胶、烘烤、紫外光曝光、显影、漂洗、烘烤等步骤，得到所需要的源漏电极图形，并利用磁控溅射沉积10～15nm的Cr以及80～90nm的Au作为源漏电极，然后在丙酮中浸泡并超声处理去除多余的光刻胶。
利用热解胶带将机械剥离的黑磷转移到裸露的PZT薄膜上，作为场效应管的半导体层，通过加热去除热解胶带。
在转移后的二维半导体黑磷上通过电子束曝光技术，经旋涂光刻胶、烘烤、电子束曝光、显影、漂洗、烘烤，得到联通黑磷与源漏电极的引线图形，最后经过热蒸镀10～15nm的Cr以及70～80nm的Au作为连接黑磷与源漏电极引线。
制得具有铁电极化和光照调控的柔性铁电光伏场效应晶体管器件。
对比例1
对采购来的10×10×0.2mm3的氟晶云母片进行机械剥离，保证其表面的洁净度和平整度。然后采用旋涂的方法在上面旋涂配置好的0.3mol/L的LNO溶胶，旋涂参数为800rpm×6s+4000rpm×30s，并对其在400℃烘干8分钟然后在600℃进行热处理20分钟使其成相。
将0.6mol/L的PZT溶胶滴在LNO电极上旋涂，旋涂参数为600rpm×6s+3000rpm×30s，并对其在300℃烘干8分钟，然后在700℃进行热处理20分钟使其成相。并重复此操作至PZT薄膜厚度达到300nm左右。
利用光刻的方法，经旋涂光刻胶、烘烤、紫外光曝光、显影、漂洗、烘烤等步骤，得到所需要的源漏电极图形，并利用磁控溅射沉积10～15nm的Cr以及80～90nm的Au作为源漏电极，然后在丙酮中浸泡并超声处理去除多余的光刻胶。
利用热解胶带将机械剥离的黑磷转移到裸露的PZT薄膜上，作为场效应管的半导体层，通过加热去除热解胶带。
在转移后的二维半导体黑磷上通过电子束曝光技术，经旋涂光刻胶、烘烤、电子束曝光、显影、漂洗、烘烤，得到联通黑磷与源漏电极的引线图形，最后经过热蒸镀10～15nm的Cr以及70～80nm的Au作为导电引线连接黑磷与源漏电极。
经上述步骤制成的柔性铁电光伏场效应晶体管器件，由于热处理温度未达到PZT的成相温度，导致该层并不具备铁电性，所以器件未能表现出铁电调控二维黑磷半导体层的电子输运能力。
对比例2
对采购来的10×10×0.2mm3的氟晶云母片进行机械剥离，这样可保证其表面的洁净度和平整度。然后采用旋涂的方法在上面旋涂配置好的0.3mol/L的LNO溶胶，旋涂参数为800rpm×6s+4000rpm×30s，并对其在400℃烘干8分钟然后在800℃进行热处理20分钟使其成相。
将0.6mol/L的PZT溶胶滴在LNO电极上旋涂，旋涂参数为600rpm×6s+3000rpm×30s，并对其在300℃烘干8分钟，然后在700℃进行热处理20分钟使其成相。并重复此操作至PZT薄膜厚度达到300nm左右。
利用光刻的方法，经旋涂光刻胶、烘烤、紫外光曝光、显影、漂洗、烘烤等步骤，得到所需要的源漏电极图形，并利用磁控溅射沉积10～15nm的Cr以及80～90nm的Au作为源漏电极，然后在丙酮中浸泡并超声处理去除多余的光刻胶。
利用热解胶带将机械剥离的黑磷转移到裸露的PZT薄膜上，作为场效应管的半导体层，通过加热去除热解胶带。
在转移后的二维半导体黑磷上通过电子束曝光技术，经旋涂光刻胶、烘烤、电子束曝光、显影、漂洗、烘烤，得到联通黑磷与源漏电极的引线图形，最后经过热蒸镀10～15nm的Cr以及70～80nm的Au作为导电引线连接黑磷与源漏电极。
经上述步骤制成的柔性铁电光伏场效应晶体管器件，由于热处理温度过高达到了焦绿石相的生成温度，导致有杂相的产生降低了PZT层的铁电性能，进一步导致铁电调控二维黑磷半导体层的电子输运能力下降。
Claims (7)
1.基于黑磷二维半导体的柔性铁电光伏场效应管的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1，采用旋涂的方法在柔性云母衬底上依次制备LNO薄膜电极和PZT薄膜，并将制备的复合薄膜在650～750℃下进行退火处理，处理10～20分钟，结束后随炉冷却至室温，得到具有铁电性能的PZT薄膜；
步骤2，在具有铁电性能的PZT薄膜上通过光刻技术，经旋涂光刻胶、烘烤、紫外光曝光、显影、漂洗、烘烤，得到所需要的源漏电极图形，并利用磁控溅射依次沉积10～15nm的Cr以及80～90nm的Au作为源漏电极，然后在丙酮中浸泡并超声处理去除多余的光刻胶；
步骤3，利用热解胶带将机械剥离的黑磷转移到裸露的PZT薄膜上，作为场效应管的半导体层，加热去除热解胶带；
步骤4，在转移后的二维半导体黑磷上通过电子束曝光技术，经旋涂光刻胶、烘烤、电子束曝光、显影、漂洗、烘烤，得到连通黑磷与源漏电极的引线图形，最后经过热蒸镀10～15nm的Cr以及70～80nm的Au连接黑磷与源漏电极引线，制得基于黑磷二维半导体的柔性铁电光伏场效应管。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述的柔性云母衬底表面起伏低于5nm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述的PZT薄膜厚度为200～300nm，表面起伏小于10nm。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中，旋涂PZT薄膜时，采用的PZT基溶胶的浓度为0.6mol/L。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述的退火时间为10～20min。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述的转移的黑磷层数为10层以上，总厚度为15～25nm。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的PZT薄膜的成分为无机铁电材料Pb(Zr0.52Ti0.48)O3。
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