CN113937152B - 一种基于锯齿形锗烯纳米带的半金属材料的制备装置 - Google Patents

一种基于锯齿形锗烯纳米带的半金属材料的制备装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于材料制备技术领域，公开了一种基于锯齿形锗烯纳米带的半金属材料的制备装置，箱体正面设置有中央控制器和观察窗，操作平台左侧设置有外延制备平台；操作平台上侧设置有可滑动支架，可滑动支架最下端安装激光原子发生器；外延制备平台用于通过外延法制备锗烯纳米带、分割成锯齿形边缘的锗烯纳米带、纳米带掺杂硼氮原子，外延法制备锗烯纳米带的原理是在一个晶格结构上通过晶格匹配生长出另外一种晶体。本发明无需通过加外电场或交换场等外场的作用来调节锯齿形锗烯纳米带的自旋特性，只需通过调节掺杂原子之间的距离就能够实现具有半金属特性的锗烯纳米带，从而方便的实现基于锗烯纳米带的自旋电子器件。

Description

一种基于锯齿形锗烯纳米带的半金属材料的制备装置
技术领域
本发明属于材料制备技术领域，尤其涉及一种基于锯齿形锗烯纳米带的半金属材料的制备装置。
背景技术
目前，随着科学技术的不断进步，研究人员在硅基电子器件方面取得了巨大的成就，并且已经将其广泛地应用到了与计算机相关的各个领域，从其发展趋势来看，电子器件尺寸的小型化是其发展的显著特征。事实上，集成度更高、反应更快、功耗更低的电路都是通过硅基晶体管持续的小型化得到的。目前，超大规模集成电路技术中电子芯片的集成度已非常高，且集成线路的线宽也已经下降到数十纳米，这已经非常接近传统硅基材料物理尺度的理论极限。为了突破制约科学技术发展的瓶颈，人们已经开始进行不断的探索包括新材料在内的各种可能的解决方案。
传统微电子器件仅仅利用载流子的电荷属性，而作为新兴研究热点的自旋电子学同时利用了电子的自旋属性，将信息的传输和存储结合起来，有利于器件的高密度集成，可以进一步降低能耗，提高速度。锗烯正是具有这种性质的重要材料，它由单层原子厚度的蜂窝状锗原子组成，与石墨烯、硅烯相比，锗烯具有更大的自旋轨道耦合能隙，无疑使得锗烯具有量子自旋霍尔效应的性质。研究发现通过掺杂，锗烯的高温超导性质也被预测出来。但是，现有的半金属性锗烯材料制备工艺中，大多需要通过加外电场或交换场等外场的作用来调节锯齿形锗烯纳米带的自旋特性，因此会带来诸多的问题。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：需通过加外电场或交换场等外场的作用来调节锯齿形锗烯纳米带的自旋特性，需要环境处于高真空，对设备和技术都是高要求，设备和半金属材料需要大量进口，国内没有相应的技术和设备。
解决以上问题及缺陷的难度为：使用基于密度泛函理论的第一性原理方法，首先优化边缘氢化的理想锯齿形锗烯纳米带，然后研究异质掺杂对锯齿形锗烯纳米带自旋特性的影响，通过引入硼氮共掺杂并改变掺杂位置来调控锗烯纳米带的自旋特性，并与理想锯齿形锗烯纳米带作比较，从而得到具有半金属特性的锗烯纳米带。
解决以上问题及缺陷的意义为：与其它制备方法比较，外延法是最有可能获得大面积、高质量锗烯的制备方法。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于锯齿形锗烯纳米带的半金属材料的制备装置。
本发明是这样实现的，一种基于锯齿形锗烯纳米带的半金属材料的制备装置设置有：
箱体；
所述箱体下端设置有操作平台，所述箱体正面设置有中央控制器和观察窗，所述操作平台表面用于设置有分割平台和纳米材料，所述操作平台左侧设置有外延制备平台，所述外延制备平台上端设置有电子束刻蚀头；
所述操作平台上侧设置有可滑动支架，所述可滑动支架上端通过滑轨与箱体连接，所述可滑动支架下端固定连接激光原子，所述电子束刻蚀头、可滑动支架和激光原子分别通过连接线路与中央控制器连接；
所述外延制备平台用于通过外延法制备锗烯纳米带、分割成锯齿形边缘的锗烯纳米带、纳米带掺杂硼氮原子；
所述电子束刻蚀头用于通过放射的高能电子束对纳米材料进行分割和刻蚀，所述电子束刻蚀头侧面连接有扫描电子显微镜，扫描电子显微镜用于对分割和刻蚀过程进行实时监测，所述扫描电子显微镜利用电子束高精度成像功能实时观测刻蚀加工过程，通过电子束的引入来中和离子束中的离子，减小离子束中库仑力来降低因库仑力带来离子间相互排斥作用，提高聚焦离子束的汇聚效果即减小离子束的束斑直径，提高其刻蚀加工精度。
进一步，所述扫描电子显微镜的放大倍数的确定式表达为：
Pe＝A1*exp(-K/t1)+A 2*exp(-K/t2)+K0
式中：A1、A2、t1、t2、K0为常数，通过实验数据拟合，最终确定在扫描电镜中：A1＝1496.6383，A2＝380.1463，t1＝211.0349，t2＝3629.0103，K0＝102.5039；K为扫描电镜图象放大倍数，Pe为电子束在试样表面的扫描宽度即为光栅间距。
进一步，所述电子束刻蚀头对纳米材料进行刻蚀的方法包括：
步骤一，对刻蚀加工的纳米材料进行清洗、烘干，然后装入分割平台；
步骤二，移动分割平台到电子束刻蚀头的工作距离，按设定参数调节电子束刻蚀头中电子束和离子束的电压、束流参数；
步骤三，根据聚焦离子束束流大小确定电子束束流范围，调节好电子束与离子束象散，最终电子束与离子束的焦点汇聚于纳米材料表面；
步骤四，根据中央控制器传输的刻蚀图像对纳米材料进行刻蚀。
进一步，所述可滑动支架上端设置有与导轨连接的驱动轮，所述可滑动支架里侧设置有与驱动轮连接的驱动模块，所述激光原子与可滑动支架之间设置有纵向移动模块，所述纵向移动模块用于带动激光原子相对导轨方向进行垂直方向移动，实现对激光原子的多角度调节。
进一步，所述中央控制器内设置有质量检测模块，所述质量检测模块用于将扫描电子显微镜获取的纳米材料的刻蚀图像与预设图像进行对比，判断刻蚀的质量。
进一步，分割成锯齿形边缘的锗烯纳米带使用电子束刻蚀技术将所述锗烯裁剪成纳米带，锗烯纳米带的锯齿形边缘的锗原子被氢原子钝化。
进一步，纳米带掺杂硼氮原子包括具有锯齿形边缘且边缘氢化的锗烯纳米带，锗烯纳米带中按照一定的距离在不同位置掺杂有硼氮原子，使所述锗烯纳米带呈半金属特性。
进一步，纳米带掺杂硼氮原子随着掺杂氮、硼原子距离的变化，一种方向的自旋能隙增大，而另一方向的自旋能隙减少，最终一种方向的自旋具有能隙，而另一方向的自旋能隙关闭，使得锗烯纳米带具有半金属特性。
进一步，基于锯齿形锗烯纳米带的半金属材料的制备方法在超高真空的环境下将SiC衬底表面加热到1400℃以上
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：通过硼氮原子共掺杂，并调节掺杂原子之间的距离得到基于锯齿形锗烯纳米带的半金属材料，其只有一种自旋方向是金属性；但是另一种相反方向的自旋则表现为半导体或绝缘特性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的基于锯齿形锗烯纳米带的半金属材料的制备装置结构示意图。
图2是本发明实施例提供的可滑动支架的结构示意图。
图中：1、中央控制器；2、箱体；3、观察窗；4、外延制备平台；5、分割平台；6、电子束刻蚀头；7、可滑动支架；8、激光原子；9、操作平台；10、驱动轮；11、驱动模块；12、纵向移动模块。
图3是本发明实施例提供的基于锯齿形锗烯纳米带的半金属材料的制备装置流程图。
图4是本发明实施例提供的电子束刻蚀头对纳米材料进行刻蚀的方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于锯齿形锗烯纳米带的半金属材料的制备装置，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1和图2所示，本发明实施例提供的基于锯齿形锗烯纳米带的半金属材料的制备装置包括中央控制器1，箱体2，观察窗3，外延制备平台4，分割平台5，电子束刻蚀头6，可滑动支架7，激光原子8，操作平台9，驱动轮1，、驱动模块11和纵向移动模块12。
箱体2下端设置有操作平台9，箱体2正面设置有中央控制器1和观察窗3，操作平台9表面用于设置有分割平台5和纳米材料，操作平台5左侧设置有外延制备平台4，外延制备平台4上端设置有电子束刻蚀头6；
操作平台上侧设置有可滑动支架7，可滑动支架7上端通过滑轨与箱体2连接，可滑动支架7下端固定连接有激光原子8，电子束刻蚀头6、可滑动支架7和激光原子8分别通过连接线路与中央控制器连接；
外延制备平台用于通过外延法制备锗烯纳米带、分割成锯齿形边缘的锗烯纳米带、纳米带掺杂硼氮原子，外延法制备锗烯纳米带的原理是，在一个晶格结构上通过晶格匹配生长出另外一种晶体；
电子束刻蚀头6用于通过放射的高能电子束对纳米材料进行分割和刻蚀，电子束刻蚀头6侧面连接有扫描电子显微镜，扫描电子显微镜用于对分割和刻蚀过程进行实时监测，扫描电子显微镜利用电子束高精度成像功能实时观测刻蚀加工过程，通过电子束的引入来中和离子束中的离子，减小离子束中库仑力来降低因库仑力带来离子间相互排斥作用，提高聚焦离子束的汇聚效果即减小离子束的束斑直径，提高其刻蚀加工精度。
本发明实施例中的可滑动支架7上端设置有与导轨连接的驱动轮10，所述可滑动支架7里侧设置有与驱动轮10连接的驱动模块11，所述激光原子8与可滑动支架7之间设置有纵向移动模块12，所述纵向移动模块12用于带动激光原子相对导轨方向进行垂直方向移动，实现对激光原子的多角度调节。
本发明实施例中的中央控制器内设置有质量检测模块，所述质量检测模块用于将扫描电子显微镜获取的纳米材料的刻蚀图像与预设图像进行对比，判断刻蚀的质量。
箱体2放置在水平、无尘、恒温的实验室内，在箱体2上留有观察窗3和中央控制器1，观察窗3观察内部的实验纳米材料的位置和状态，外延制备平台4用外延法制备纳米材料，分割平台5放置制备好的纳米材料。电子束刻蚀头6放射高能电子束分割和刻蚀纳米材料。在可滑动架7上设有激光原子8，纳米材料和分割平台4放置在操作平台9上。
如图3所示，在外延制备平台4上外延法制备锗烯纳米带，在一个晶格结构上通过晶格匹配生长出另外一种晶体的方法。在分割平台5上运用电子束刻蚀头6发射高能电子束将纳米材料分割成锯齿形边缘的锗烯纳米带在电子束刻蚀技术将所述锗烯裁剪成纳米带。锗烯纳米带中按照一定的距离在不同位置共掺杂有硼氮原子，使所述锗烯纳米带呈半金属特性。
本发明实施例中的扫描电子显微镜的放大倍数的确定式表达为：
Pe＝A1*exp(-K/t1)+A 2*exp(-K/t2)+K0
式中：A1、A2、t1、t2、K0为常数，通过实验数据拟合，最终确定在扫描电镜中：A1＝1496.6383，A2＝380.1463，t1＝211.0349，t2＝3629.0103，K0＝102.5039；K为扫描电镜图象放大倍数，Pe为电子束在试样表面的扫描宽度即为光栅间距。
如图4所示，本发明实施例中的电子束刻蚀头对纳米材料进行刻蚀的方法包括：
S101，对刻蚀加工的纳米材料进行清洗、烘干，然后装入分割平台；
S102，移动分割平台到电子束刻蚀头的工作距离，按设定参数调节电子束刻蚀头中电子束和离子束的电压、束流参数；
S103，根据聚焦离子束束流大小确定电子束束流范围，调节好电子束与离子束象散，最终电子束与离子束的焦点汇聚于纳米材料表面；
S104，根据中央控制器传输的刻蚀图像对纳米材料进行刻蚀。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于锯齿形锗烯纳米带的半金属材料的制备装置，其特征在于，所述基于锯齿形锗烯纳米带的半金属材料的制备装置设置有：
箱体；
所述箱体下端设置有操作平台，所述箱体正面设置有中央控制器和观察窗，所述操作平台表面用于放置分割平台和纳米材料，所述操作平台左侧设置有外延制备平台，所述外延制备平台上端设置有电子束刻蚀头；
所述操作平台上侧设置有可滑动支架，所述可滑动支架上端通过滑轨与箱体连接，所述可滑动支架下端镶嵌激光原子，所述电子束刻蚀头、可滑动支架和激光原子分别通过连接线路与中央控制器连接；
所述外延制备平台用于通过外延法制备锗烯纳米带、分割成锯齿形边缘的锗烯纳米带、纳米带掺杂硼氮原子，所述外延法制备锗烯纳米带是在一个晶格结构上通过晶格匹配生长出另外一种晶体的方法；
所述电子束刻蚀头用于通过放射的高能电子束对纳米材料进行分割和刻蚀，所述电子束刻蚀头侧面连接有扫描电子显微镜，扫描电子显微镜用于对分割和刻蚀过程进行实时监测，所述扫描电子显微镜利用电子束高精度成像功能实时观测刻蚀加工过程，通过电子束的引入来中和离子束中的离子，减小离子束中库仑力来降低因库仑力带来离子间相互排斥作用，提高聚焦离子束的汇聚效果即减小离子束的束斑直径，提高其刻蚀加工精度。
2.如权利要求1所述的基于锯齿形锗烯纳米带的半金属材料的制备装置，其特征在于，所述扫描电子显微镜的放大倍数的确定式表达为：
Pe＝A1*exp(-K/t1)+A2*exp(-K/t2)+K0
式中：A1、A2、t1、t2、K0为常数，通过实验数据拟合，最终确定在扫描电镜中：A1＝1496.6383，A2＝380.1463，t1＝211.0349，t2＝3629.0103，K0＝102.5039；K为扫描电镜图象放大倍数，Pe为电子束在试样表面的扫描宽度即为光栅间距。
3.如权利要求1所述的基于锯齿形锗烯纳米带的半金属材料的制备装置，其特征在于，所述电子束刻蚀头对纳米材料进行刻蚀的方法包括：
步骤一，对刻蚀加工的纳米材料进行清洗、烘干，然后装入分割平台；
步骤二，移动分割平台到电子束刻蚀头的工作距离，按设定参数调节电子束刻蚀头中电子束和离子束的电压、束流参数；
步骤三，根据聚焦离子束束流大小确定电子束束流范围，调节好电子束与离子束象散，最终电子束与离子束的焦点汇聚于纳米材料表面；
步骤四，根据中央控制器传输的刻蚀图像对纳米材料进行刻蚀。
4.如权利要求1所述的基于锯齿形锗烯纳米带的半金属材料的制备装置，其特征在于，所述可滑动支架上端设置有与导轨连接的驱动轮，所述可滑动支架里侧设置有与驱动轮连接的驱动模块，所述激光原子与可滑动支架之间设置有纵向移动模块，所述纵向移动模块用于带动激光原子相对导轨方向进行垂直方向移动，实现对激光原子的多角度调节。
5.如权利要求1所述的基于锯齿形锗烯纳米带的半金属材料的制备装置，其特征在于，所述中央控制器内设置有质量检测模块，所述质量检测模块用于将扫描电子显微镜获取的纳米材料的刻蚀图像与预设图像进行对比，判断刻蚀的质量。
6.如权利要求1所述的基于锯齿形锗烯纳米带的半金属材料的制备装置，其特征在于，所述分割成锯齿形边缘的锗烯纳米带使用电子束刻蚀技术将所述锗烯裁剪成纳米带。
7.如权利要求1所述的基于锯齿形锗烯纳米带的半金属材料的制备装置，其特征在于，所述纳米带掺杂硼氮原子包括具有锯齿形边缘且边缘氢化的锗烯纳米带，锗烯纳米带中按照一定的距离在不同位置掺杂有硼氮原子，使所述锗烯纳米带呈半金属特性。
8.如权利要求1所述的基于锯齿形锗烯纳米带的半金属材料的制备装置，其特征在于，所述纳米带掺杂硼氮原子随着掺杂氮、硼原子距离的变化，一种方向的自旋能隙增大，而另一方向的自旋能隙减少，最终一种方向的自旋具有能隙，而另一方向的自旋能隙关闭，使得锗烯纳米带具有半金属特性。
9.如权利要求1所述的基于锯齿形锗烯纳米带的半金属材料的制备装置，其特征在于，所述基于锯齿形锗烯纳米带的半金属材料的制备方法在超高真空的环境下将SiC衬底表面加热到1400℃以上。
10.如权利要求1所述的基于锯齿形锗烯纳米带的半金属材料的制备装置，其特征在于，所述锗烯纳米带的锯齿形边缘的锗原子被氢原子钝化。
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