CN115274883A - 一种硒化铋电极及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于拓扑材料制备技术领域，公开了一种硒化铋(Bi2Se3)电极及其制备方法和应用。本发明将Bi2Se3单晶粘到胶带上，通过机械剥离法将胶带上带有Bi2Se3单晶的一面轻微挤压在Si/SiO2衬底上，然后将胶带与Si/SiO2衬底分离，此时大块均匀的层状Bi2Se3留在Si/SiO2衬底上；通过FIB技术切除Si/SiO2衬底上Bi2Se3的局部面积，在Bi2Se3上做出沟道的长和宽，得到Bi2Se3平行电极；再使用干法转移的方法，用PVA将所得Bi2Se3平行电极转移到二维材料上，制备出光电探测器。该拓扑材料Bi2Se3电极可应用在二维半导体领域中。
Description
技术领域
本发明属于拓扑材料制备技术领域，特别涉及一种硒化铋(Bi2Se3)电极及其制备方法和应用。
背景技术
金属-半导体界面的接触问题已经成为半导体行业一个越来越重要但还未解决的问题，它严重阻碍了半导体器件的最终结构缩放和性能。超薄的二维半导体器件具有优异的半导体特性，良好的金属-半导体接触至关重要。与块状的半导体器件相比，二维半导体的超薄特性使其金属-半导体接触更容易受到化学键和界面态的费米能级钉扎。
通常在蒸发金属电极的过程中会产生大量的晶格缺陷、化学键和界面态，导致严重的费米能级。我们通过转移金属性二维电极Bi2Se3这个方法，避免在蒸发电极过程中产生缺陷。同时，范德华接触可以有效地解决金属-二维半导体界面接触的费米能级钉扎问题。Bi2Se3属于拓扑材料的一员，由于强自旋-轨道耦合，其具有导电的表面状态，这些表面态可有效地阻止时间反转扰动，如晶体缺陷和非磁性杂质。因此由于拓扑材料表面态的独特特性，在基础研究以及自旋电子学、量子信息和低能量耗散电子学的应用上具有很大的吸引力。
发明内容
为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本发明的首要目的在于提供一种拓扑材料硒化铋半导体器件电极的制备方法。
本发明的另一目的在于提供一种上述制备方法制备得到的硒化铋半导体器件电极。
本发明的再一目的在于提供一种上述硒化铋半导体器件电极的应用。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种硒化铋半导体器件电极的制备方法，包括以下操作步骤：将Bi2Se3单晶粘到胶带上，通过机械剥离法将胶带上带有Bi2Se3单晶的一面轻微挤压在Si/SiO2衬底上，然后将胶带与Si/SiO2衬底分离，此时大块均匀的层状Bi2Se3留在Si/SiO2衬底上；通过FIB技术切除Si/SiO2衬底上Bi2Se3的局部面积，在Bi2Se3上做出沟道的长和宽，得到Bi2Se3平行电极；再使用干法转移的方法，用PVA将所得Bi2Se3平行电极转移到二维材料上，制备出光电探测器。
优选地，所述胶带为蓝胶带或白胶带。
优选地，所述层状Bi2Se3的厚度为90-100nm。
优选地，所述Bi2Se3平行电极的两电极之间间距为0.1～1微米。
优选地，所述二维材料为WSe2或WS2。
上述的一种硒化铋半导体器件电极的制备方法，具体按照以下操作步骤：
S1.将Si/SiO2衬底加热至100℃，保温5分钟；
S2.将Bi2Se3单晶粘到胶带上，通过机械剥离法将胶带上带有Bi2Se3单晶的一面轻微挤压在加热后的Si/SiO2衬底上15-60秒，然后将胶带与Si/SiO2衬底分离，这时大块均匀的层状Bi2Se3留在Si/SiO2衬底上；
S3.将带有Bi2Se3的Si/SiO2衬底浸泡丙酮溶液30分钟，去除衬底上的残胶；
S4.通过FIB技术切除Si/SiO2衬底上Bi2Se3的局部面积，据需求设计沟道的长和宽，在Bi2Se3上做出沟道的长和宽，得到具有不同沟道尺寸的Bi2Se3平行电极；
S5.使用干法转移的方法，用PVA将步骤S4得到的Bi2Se3平行电极转移到二维材料上；
S6.将转移到二维材料上的Bi2Se3平行电极退火处理后，在Bi2Se3上沉积金属层，得到光电探测器。
优选地，步骤S5所述干法转移的温度为90℃。
优选地，步骤S6所述退火处理的温度为150℃，时间为30min。
步骤S6中在Bi2Se3上沉积金属层，金属层的面积可以大于Bi2Se3的面积，从而延伸到Bi2Se3范围以外，但是要注意沟道两边的Bi2Se3平行电极上面分别沉积的金属层之间不能连在一起，否则会发生电极短路。在Bi2Se3上沉积金属层的目的是因为Bi2Se3容易破坏，为了避免这个问题，需要在Bi2Se3上沉积金属层，相当于既保护了Bi2Se3又延伸了Bi2Se3的作用。
一种由上述的制备方法制备得到的硒化铋半导体器件电极。
上述的硒化铋半导体器件电极在二维半导体领域中的应用。
本发明通过制备出Bi2Se3电极，可以灵活设计沟道的尺寸，通过范德华接触，可以有效解决传统金属-半导体界面接触的问题，减少界面载流子的复合中心，降低了空穴和电子复合，从而增加了参与反应的电子和空穴数量，提高了反应速率。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及有益效果：
(1)本发明采用机械剥离法制备Bi2Se3，机械剥离法制备的Bi2Se3质量高；同时，与传统金属电极金、铂、钯和银相比，Bi2Se3并不稀缺和成本较低。
(2)本发明的Bi2Se3电极，通过范德华接触可有效解决金属-半导体界面费米能级钉扎问题，提高器件的性能。
(3)本发明所需设备和制备工艺简单、成本低廉。
附图说明
图1为FIB技术切除Bi2Se3的局部面积获得具有沟道的Bi2Se3平行电极的示意图。
图2为实施例1中制备的Bi2Se3与WSe2构建的光电探测器的光学显微镜图。
图3为实施例1中制备的Bi2Se3与WSe2构建的光电探测器测得的I-V曲线。
图4为实施例1制备的Bi2Se3与WS2构建的光电探测器的光学显微镜图。
图5为实施例1中制备的Bi2Se3与WS2构建的光电探测器测得的I-V曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
以下实施例中所述的干法转移是通过将PVA(聚乙烯醇)滴在PDMS上刮平，保温30分钟。在PDMS上形成PVA膜，然后将带有PVA膜的PDMS粘在载玻片上，在目标转移材料上轻微按压，在90～95温度下保温5～7分钟，目标材料会被转移到PVA膜上。然后再将带有目标材料的PVA膜重新粘到PDMS上，PDMS粘附到载玻片上，再将PVA上的目标材料转移到另外一个目标材料。
实施例1
1.将Bi2Se3单晶粘到蓝胶带上，通过机械剥离法将胶带上带有Bi2Se3单晶的一面轻微挤压在Si/SiO2衬底上60秒，然后将胶带与Si/SiO2衬底分离，这时大块均匀的层状Bi2Se3留在Si/SiO2衬底上；
2.将带有Bi2Se3的Si/SiO2衬底浸泡丙酮溶液30分钟，去除衬底上的残胶；
3.通过FIB技术切除Si/SiO2衬底上Bi2Se3的局部面积，在Bi2Se3上设计沟道的长和宽，得到Bi2Se3平行电极，如图1所示；
4.将WSe2单晶粘到蓝胶带上，通过机械剥离法将胶带上带有WSe2单晶的一面轻微挤压在Si/SiO2衬底上40秒，然后将胶带与Si/SiO2衬底分离，这时大块均匀的层状WSe2留在Si/SiO2衬底上；
5.将带有WSe2的Si/SiO2衬底浸泡丙酮溶液30分钟，去除衬底上的残胶；
6.将带有WSe2的Si/SiO2衬底加热至150℃，保温30min；
7.使用干法转移的方法，用PVA将步骤3所得Bi2Se3平行电极转移到步骤5经过干燥后的WSe2上；
8.转移完后，将样品浸泡去离子水，去除PVA；
9.去除完PVA，将样品加热至150℃，保温30min；
10.退火处理后，在Bi2Se3上沉积金属层(本实施例金属层使用的是Ti/Au)，金属层的面积可以大于Bi2Se3的面积，从而延伸到Bi2Se3范围以外，但是要注意沟道两边的Bi2Se3平行电极上面分别沉积的金属层之间不能连在一起，这样制备得到Bi2Se3-WSe2-Bi2Se3样品，并将该样品放置探针台上进行光电测试。在Bi2Se3上沉积金属层的目的是因为Bi2Se3容易破坏，为了避免这个问题，需要在Bi2Se3上沉积金属层，在本实施例中是采用光刻和镀金的方式得到钛金电极，相当于既保护了Bi2Se3又延伸了Bi2Se3的作用。
图2为本实施例制备的Bi2Se3-WSe2-Bi2Se3光学显微镜照片。图3为Bi2Se3-WSe2-Bi2Se3的I-V曲线。
实施例2
1.将Bi2Se3单晶粘到白胶带上，通过机械剥离法将胶带上带有Bi2Se3单晶的一面轻微挤压在Si/SiO2衬底上15秒，然后将胶带与Si/SiO2衬底分离，这时大块均匀的层状Bi2Se3留在Si/SiO2衬底上；
2.将带有Bi2Se3的Si/SiO2衬底浸泡丙酮溶液30分钟，去除衬底上的残胶；
3.通过FIB技术切除Si/SiO2衬底上Bi2Se3的局部面积，在Bi2Se3上设计沟道的长和宽，得到Bi2Se3平行电极，如图1所示；
4.将WS2的单晶粘到白胶带上，通过机械剥离法将胶带上带有WS2单晶的一面轻微挤压在Si/SiO2衬底上60秒，然后将胶带与Si/SiO2衬底分离，这时大块均匀的层状WS2留在Si/SiO2衬底上；
5.将带有WS2的Si/SiO2衬底浸泡丙酮溶液30分钟，去除衬底上的残胶；
6.将带有WS2的Si/SiO2衬底加热至150℃，保温30min；
7.使用干法转移的方法，用PVA将步骤3所得Bi2Se3平行电极转移到步骤5经过干燥后的WS2上；
8.转移完后，将样品浸泡去离子水，去除PVA；
9.去除完PVA，将样品加热至150℃，保温30min；
10.退火处理后，在Bi2Se3上沉积金属层(本实施例金属层使用的是Ti/Au)，金属层的面积可以大于Bi2Se3的面积，从而延伸到Bi2Se3范围以外，但是要注意沟道两边的Bi2Se3平行电极上面分别沉积的金属层之间不能连在一起，这样制备得到Bi2Se3-WS2-Bi2Se3样品，并将该样品放置探针台上进行光电测试。在Bi2Se3上沉积金属层的目的是因为Bi2Se3容易破坏，为了避免这个问题，需要在Bi2Se3上沉积金属层，在本实施例中是采用光刻和镀金的方式得到钛金电极，相当于既保护了Bi2Se3又延伸了Bi2Se3的作用。
图4为本实施例制备的Bi2Se3-WS2-Bi2Se3光学显微镜照片。图5为Bi2Se3-WS2-Bi2Se3的I-V曲线。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种硒化铋半导体器件电极的制备方法，其特征在于包括以下操作步骤：将Bi2Se3单晶粘到胶带上，通过机械剥离法将胶带上带有Bi2Se3单晶的一面轻微挤压在Si/SiO2衬底上，然后将胶带与Si/SiO2衬底分离，此时大块均匀的层状Bi2Se3留在Si/SiO2衬底上；通过FIB技术切除Si/SiO2衬底上Bi2Se3的局部面积，在Bi2Se3上做出沟道的长和宽，得到Bi2Se3平行电极；再使用干法转移的方法，用PVA将所得Bi2Se3平行电极转移到二维材料上，制备出光电探测器。
2.根据权利要求1所述的一种硒化铋半导体器件电极的制备方法，其特征在于：所述胶带为蓝胶带或白胶带。
3.根据权利要求1所述的一种硒化铋半导体器件电极的制备方法，其特征在于：所述层状Bi2Se3的厚度为90-100nm。
4.根据权利要求1所述的一种硒化铋半导体器件电极的制备方法，其特征在于：所述Bi2Se3平行电极的两电极之间间距为0.1～1微米。
5.根据权利要求1所述的一种硒化铋半导体器件电极的制备方法，其特征在于：所述二维材料为WSe2或WS2。
6.根据权利要求1所述的一种硒化铋半导体器件电极的制备方法，其特征在于具体按照以下操作步骤：
S1.将Si/SiO2衬底加热至100℃，保温5分钟；
S2.将Bi2Se3单晶粘到胶带上，通过机械剥离法将胶带上带有Bi2Se3单晶的一面轻微挤压在加热后的Si/SiO2衬底上15-60秒，然后将胶带与Si/SiO2衬底分离，这时大块均匀的层状Bi2Se3留在Si/SiO2衬底上；
S3.将带有Bi2Se3的Si/SiO2衬底浸泡丙酮溶液30分钟，去除衬底上的残胶；
S4.通过FIB技术切除Si/SiO2衬底上Bi2Se3的局部面积，据需求设计沟道的长和宽，在Bi2Se3上做出沟道的长和宽，得到具有不同沟道尺寸的Bi2Se3平行电极；
S5.使用干法转移的方法，用PVA将步骤S4得到的Bi2Se3平行电极转移到二维材料上；
S6.将转移到二维材料上的Bi2Se3平行电极退火处理后，在Bi2Se3上沉积金属层，得到光电探测器。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：步骤S5所述干法转移的温度为90℃。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：步骤S6所述退火处理的温度为150℃，时间为30min。
9.一种由权利要求1-8任一项所述的制备方法制备得到的硒化铋半导体器件电极。
10.根据权利要求9所述的硒化铋半导体器件电极在二维半导体领域中的应用。
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
| 罗思源: "Bi2Se3 光电流效应研究及光探测器制备", 《博士电子期刊出版信息》, 15 April 2019 (2019-04-15), pages 7 - 18 * |
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