CN113206004B - 二维材料压应变工程的激光冲击制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种二维材料压应变工程的激光冲击制备方法，通过在二维材料上铺设纳米金属颗粒并使用激光冲击使金属颗粒发生形变的方式使二维材料受到压应力产生应变。本发明使用激光冲击使金属颗粒发生形变的方法对二维材料施加外部压应力，使材料的能带结构发生变化，有效改善材料的电学、光学性能，适用于纳米级场效应晶体管、光电探测器等电子、光电子器件。

Description

二维材料压应变工程的激光冲击制备方法
技术领域
本发明涉及二维半导体材料应变工程的技术领域，具体涉及一种二维材料压应变工程的激光冲击制备方法。
背景技术
为实现半导体器件小型化、高度集成化的目的，半导体尺寸缩小不断向前推进，半导体工艺技术将面临光刻难度大、散热困难、量子效应的限制等一系列的技术瓶颈，通过降低传统硅基半导体器件尺寸，提升其性能的方式将不再奏效。而且，半导体工艺不断向前推进所需要的半导体设备的更新研发投入也越来越高昂，这些都是IC按照摩尔定律推进的阻碍。类石墨烯二维层状电子材料凭借其原子级别的厚度、高机械强度高、表面载流子传输速率快、能带随厚度可调以及出色的电学性能等特性在电子器件领域有巨大的潜在应用。研究表明，基于二维层状材料的电子器件具有良好的栅控性质，可以有效减小短沟道效应对器件性能的影响，成为最有可能替代硅基材料、延续摩尔定律的新型半导体材料。此外，大量研究结果表明，对二维材料施加应力使其发生形变产生褶皱结构，会使材料的能带结构发生明显变化，对材料的电学以及光学性能产生影响，因此通过使二维半导体材料发生形变产生褶皱结构进而改善其性能的方式为研发高性能的半导体器件提供了一条新的路径。
目前常用的使材料产生应变的方法多采用衬底与二维材料固有特性不同以及改变衬底的形态的方法，具体方法有：样品和衬底晶格不匹配而导致的应变，依赖于衬底以及二维材料的固有性质，对于衬底材料以及二维材料的种类有限制；样品与衬底之间热膨胀系数不匹配引起的应变，该方法需要将衬底加热到上百摄氏度，该方法产生的应变取决于衬底材料以及二维材料的热膨胀系的差异，可控性差；将样品转移到柔性的衬底上，通过对其弯曲或者折叠而引起的应变，该方法为最直接也是目前最常用的方法，但由此而产生的应变依赖于柔性衬底的拉伸或压缩，即二维材料的应变取决于衬底的应变，当施加于衬底的力撤销后，衬底将回复为初始的形状，二维材料的应变也将消失；在图案化衬底上转移二维材料，该方法需要应用到高精度的刻蚀手段，增加了额外的加工成本。因此，需要发明一种简洁有效的使二维材料产生应变的方法。
发明内容
发明的目的在于提供一种二维材料压应变工程的激光冲击制备方法，通过激光冲击使铺设于二维材料上的金属颗粒发生形变，在金属颗粒发生形变时对其下的二维材料施加了压应力使二维材料发生形变，对二维材料的能带结构进行调整，进而改善二维材料的电学及光学性能。
为实现上述目的，本发明提供的一种二维材料压应变工程的激光冲击制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)在硬质基底上生长或转移少层的二维半导体材料；
(2)在二维材料薄膜上铺设纳米金属颗粒；
(3)使用脉冲激光冲击的方法对金属颗粒进行处理，使金属颗粒发生形变；
(4)金属颗粒发生形变时二维材料受到压应力。
作为优选方案，所述步骤(1)中，硬质基底为Si/SiO2、Si、石英或蓝宝石中的任一种。
进一步地，所述步骤(1)中，在硬质基底上生长或转移少层的二维半导体材料；转移方式为干法转移或湿法转移；二维材料生长方式为物理气相沉积、化学气相沉积或化学氧化还原反应中的任一种。
更进一步地，所述步骤(2)中，在二维材料薄膜上铺设的纳米金属颗粒包括但不限于Au、Ag、Al、Ti、Cu纳米颗粒中的一种。
更进一步地，所述步骤(3)中，使用脉冲激光冲击的方法具体为：
在所述二维材料表面依次覆盖吸收层和透光层，利用脉冲激光垂直照射透光层；脉冲激光冲击所用激光器包括但不限于纳秒激光器、皮秒激光器和飞秒激光器，激光波长包括但不限于1064nm、532nm、355nm和266nm，频率为1Hz及以上，激光功率密度大于10-3GW/cm2，照射时间小于1min。
更进一步地，所述步骤(3)中，在吸收层和二维材料间滴加去离子水，以防止激光冲击对二维材料的损伤。
本发明的优点和有益效果如下：
本发明提出的二维材料压应变工程的激光冲击制备方法，在硬质基底上生长或转移少层的二维半导体材料，而后在二维材料薄膜上铺设纳米金属颗粒并使用脉冲激光冲击金属颗粒使其发生形变，使二维材料产生压应变获得褶皱结构。本发明能够在不损伤二维材料的前提下，简洁有效地使二维材料产生局部应变。相较于晶格不匹配、热膨胀系数不匹配、弯折柔性衬底这三种方式该方法对衬底材料及温度没有特殊的要求，且可以使二维材料的应变稳定的保留，有效的改善了材料的能带结构，提升了二维材料的电学及光学性能，适用于效应晶体管、光电探测器等电子、光电子器件的制备领域。
本发明与现有技术相比，具有如下显而易见的实质性特点和显著优点：通过控制铺设的纳米金属颗粒的数量可以在二维材料上形成不同的应变分布；激光冲击使纳米金属颗粒发生形变的过程简单且激光照射时间仅1-5s，可以高效地完成二维材料的应变。
附图说明
图1-4为本发明提供的二维材料褶皱薄膜的制备方法的过程示意图；
图1为在硬质基底上生长或转移少层的二维半导体材料
图2为在二维材料薄膜上铺设纳米金属颗粒
图3为在金属颗粒上铺设吸收层及透光层并使用脉冲激光冲击金属颗粒使其发生形变
图4为金属颗粒发生形变时二维材料受到压应力
图中：1.硬质基底、2.二维材料、3.纳米金属颗粒、4.吸收层、5.透光层、6.变形后的纳米金属颗粒、7.二维材料产生的压应变。
图5为激光冲击处理前的单层MoS2的AFM图
图6为脉冲激光冲击处理后的单层MoS2的AFM图
图7为转移前后及不同功率激光冲击脉冲激光冲击前后MoS2的PL光谱。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例，用于说明本发明，但不止用来限制本发明的范围。
本发明中涉及的二维材料转移方式、二维材料生长方式都是现有技术，不属于本发明的创新点，在此仅做应用。转移包括但不限定为干法转移或湿法转移等。二维材料生长方式包括但不限于物理气相沉积、化学气相沉积、化学氧化还原反应等方式。
本发明中使用的原料组分均可市购获得，本发明实施例所用试剂均为纯化学试剂。在下述实施例中，硬质衬底选择SiO2衬底，金属颗粒选用铜颗粒，二维材料选用MoS2，以详述本发明。
实施例1
本实施例为一种二维材料压应变工程的激光冲击制备方法，包括如下步骤：
将SiO2衬底1依次在丙酮、酒精、去离子水中进行超声清洗，随后用去离子水冲洗干净并用氮气吹干。
使用化学气相沉积在SiO2/Si衬底1的表面沉积薄膜MoS22，如图1所示；
在二维材料薄膜上铺设纳米铜颗粒3，如图2所示。
在二维材料表面滴加1-2滴去离子水，而后在纳米铜颗粒上覆盖石墨的厚度为10μm的铝箔吸收层4和透光层5。利用脉宽10ns，波长为1064nm的Nd-YAG激光器所发出的脉冲激光垂直照射透光层，控制激光通量为17kJ/cm2，照射时间为1s，如图3所示。
变形后的纳米铜颗粒6对二维材料施加了压应力，获得使二维材料产生压应变7。以上所述仅为本发明的一种优选方案，不能以此限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。
测试激光处理前后的样品的室温光致发光谱，发现激光处理后的样品的光致发光谱相对于未处理的样品往短波长方向移动了(即蓝移)。根据之前的报道，证明在激光冲击后，二硫化钼产生了局部的压应变。

Claims (8)

1.一种二维材料压应变工程的激光冲击制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)在硬质基底上生长或转移少层的二维半导体材料；
(2)在二维材料薄膜上铺设纳米金属颗粒；
(3)使用脉冲激光冲击的方法对金属颗粒进行处理，使金属颗粒发生形变；
(4)金属颗粒发生形变时二维材料受到压应力。
2.根据权利要求1所述的二维材料压应变工程的激光冲击制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，硬质基底为Si/SiO2、Si、石英或蓝宝石中的任一种。
3.根据权利要求1或2所述的二维材料压应变工程的激光冲击制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，在硬质基底上生长或转移少层的二维半导体材料；转移方式为干法转移或湿法转移；二维材料生长方式为物理气相沉积、化学气相沉积或化学氧化还原反应中的任一种。
4.根据权利要求1或2所述的二维材料压应变工程的激光冲击制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，在二维材料薄膜上铺设的纳米金属颗粒为Au、Ag、Al、Ti或Cu纳米颗粒中任一种。
5.根据权利要求3所述的二维材料压应变工程的激光冲击制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，在二维材料薄膜上铺设的纳米金属颗粒为Au、Ag、Al、Ti或Cu纳米颗粒中任一种。
6.根据权利要求1或2或5所述的二维材料压应变工程的激光冲击制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中，使用脉冲激光冲击的方法具体为：
在所述二维材料表面依次覆盖吸收层和透光层，利用脉冲激光垂直照射透光层；脉冲激光冲击所用激光器包括纳秒激光器、皮秒激光器和飞秒激光器，激光波长包括1064nm、532nm、355nm和266nm，频率为1Hz及以上，激光功率密度大于10-3GW/cm2，照射时间小于1min。
7.根据权利要求1或2或5所述的二维材料压应变工程的激光冲击制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中，在吸收层和二维材料间滴加去离子水，以防止激光冲击对二维材料的损伤。
8.根据权利要求6所述的二维材料压应变工程的激光冲击制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中，在吸收层和二维材料间滴加去离子水，以防止激光冲击对二维材料的损伤。
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