CN115557502A - 一种单层二维碳化硅晶体制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单层二维碳化硅晶体制备方法，包括以下步骤：S1、采用过渡金属作为衬底材料，将衬底材料清洗干净，去除衬底材料表面的氧化层后，置于反应炉内；S2、将气相含碳化合物和气相含硅化合物作为原料通入密闭的反应炉内，将反应炉抽真空至真空度为1×10‑5Pa‑1×10‑4Pa，然后向反应炉内通入保护气体；S3、将反应炉升温到100℃‑1000℃，保温10‑100min，使得气相含碳化合物和气相含硅化合物在衬底材料上生长；S4、以1℃/min‑10℃/min的速率将反应率冷切到室温，得到单层二维碳化硅晶体材料。采用本发明所述的单层二维碳化硅晶体制备方法，能够解决现有的单层二维SiC材料制备温度要求高、条件苛刻，收率低的问题。
Description
技术领域
本发明涉及碳化硅制备技术领域，尤其是涉及一种单层二维碳化硅晶体制备方法。
背景技术
第三代半导体材料在击穿电场、饱和电子速度、热导率、电子密度、电子迁移率等方面性能优异，在节能电力电子域、信息工程领域、国防领域、民用商业领域等多个领域拥有广阔应用前景。
目前，第三代半导体材料中SiC的技术与应用最为成熟，应用领域最为广泛，市场发展也最快。在电动汽车上用SiC模块取代IGBT作为功放器件，大幅降低Model3整体能耗，显著改善了电动汽车续航能力，极大地推动了SiC产业的蓬勃发展。
随着石墨烯独特的光、电、磁、奇异的魔角重叠石墨烯双层结构超导特性及其卓越的机械性能的发现，作为SiC材料的一个新的分支，二维SiC材料的研究在国内、国际吸引了越来越多的关注，并取得了阶段性成果。从理论研究到实验室合成，从结构稳定性到基础物理特性仿真预测，多方面结果显示，二维SiC材料具有一种从结构上类似于石墨烯的双元素Si-C SP2杂化的、稳定的平面结构，具有热容量高，其机械强度仅次于石墨烯。与石墨烯不同，二维SiC具有直带隙半导体特性，在光、电、磁应用的半导体产业具有巨大的应用潜力，可比肩或超越如火如荼的三维SiC第三代半导体材料。
单层二维SiC材料理论研究显示了其热力学稳定性，但是目前单层二维SiC制备温度较高，制备条件苛刻，并且收率低，无法满足商业上的大规模生产要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种单层二维碳化硅晶体制备方法，解决现有的单层二维SiC材料制备温度要求高、条件苛刻，收率低的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种单层二维碳化硅晶体制备方法，包括以下步骤：
S1、采用过渡金属作为衬底材料，将衬底材料清洗干净，去除衬底材料表面的氧化层后，置于反应炉内；
S2、将气相含碳化合物和气相含硅化合物作为原料通入密闭的反应炉内，将反应炉抽真空至真空度为1×10-5Pa-1×10-4Pa，然后向反应炉内通入保护气体；
S3、将反应炉升温到100℃-1000℃，保温10-100min，使得气相含碳化合物和气相含硅化合物在衬底材料上生长；
S4、以1℃/min-10℃/min的速率将反应率冷切到室温，得到单层二维碳化硅晶体材料。
优选的，所述S1中，过渡金属为镍、铬、铁、铜、钨或其二元、三元、四元合金。
优选的，所述S2中，气相含碳化合物为气化碳、一氧化碳、甲烷、乙烷、乙烯或乙炔中的一种或几种任意比例的混合气体。
优选的，所述S2中，气相含硅化合物为气化硅、硅烷、硅氯烷中的一种或几种任意比例的混合气体。
优选的，所述S2中，保护气体为氩气、氢气、氮气或氦气中的一种或几种任意比例的混合气体。
优选的，所述S2中，气相含碳化合物与气相含硅化合物的摩尔比为1:10-10:1。
优选的，所述S3中，反应炉的升温速率为10℃/min-30℃/min。
本发明所述的一种单层二维碳化硅晶体制备方法的优点和积极效果是：本发明采用与二维碳化硅晶格匹配的过渡金属镍、铬、铁、铜、钨或其二元、三元、四元合金作为衬底材料，加快和实现了单层二维碳化硅晶体材料的生成。采用气相含碳化合物和气相含硅化合物作为原料，在较低的温度和较短的时间内就可以实现单层二维碳化硅晶体材料的生成，为单层二维碳化硅晶体材料在工业上的大规模制备奠定了基础。
具体实施方式
一种单层二维碳化硅晶体制备方法，包括以下步骤：
S1、采用过渡金属作为衬底材料，将衬底材料清洗干净，去除衬底材料表面的氧化层后，置于反应炉内。过渡金属为镍、铬、铁、铜、钨或其二元、三元、四元合金，过滤金属与二维碳化硅晶格匹配，作为单层二维碳化硅材料制备的催化剂使用，加快单层二维碳化硅材料的制备速率，提高二维碳化硅材料的收率。
S2、将气相含碳化合物和气相含硅化合物作为原料通入密闭的反应炉内，将反应炉抽真空至真空度为1×10-5Pa-1×10-4Pa，然后向反应炉内通入保护气体。气相含碳化合物为气化碳、一氧化碳、甲烷、乙烷、乙烯或乙炔中的一种或几种任意比例的混合气体。气相含硅化合物为气化硅、硅烷、硅氯烷中的一种或几种任意比例的混合气体。气相含碳化合物与气相含硅化合物的摩尔比为1:10-10:1。保护气体为氩气、氢气、氮气或氦气中的一种或几种任意比例的混合气体。采用气相含碳化合物和气相含硅化合物作为原料用来制备单层二维碳化硅晶体材料，有利于降低单层二维碳化硅材料的生成速度和生成时间。
S3、将反应炉升温到100℃-1000℃，保温10-100min，使得气相含碳化合物和气相含硅化合物在衬底材料上生长。反应炉的升温速率为10℃/min-30℃/min。
S4、以1℃/min-10℃/min的速率将反应率冷切到室温，得到单层二维碳化硅晶体材料。
以下通过实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例1
S1、采用金属镍作为衬底材料，将衬底材料清洗干净，去除衬底材料表面的氧化层后，置于反应炉内。
S2、将气化碳和气化硅作为原料通入密闭的反应炉内，气化碳和气化硅的摩尔比为1:10。将反应炉抽真空至真空度为1×10-5Pa，然后向反应炉内通入氩气保护气体。
S3、将反应炉升温到100℃，保温50min，反应炉的升温速率为10℃/min。
S4、以2℃/min的速率将反应率冷切到室温，得到单层二维碳化硅晶体材料。
实施例2
S1、采用金属铜作为衬底材料，将衬底材料清洗干净，去除衬底材料表面的氧化层后，置于反应炉内。
S2、将甲烷和硅烷作为原料通入密闭的反应炉内，甲烷和硅烷的摩尔比为5：5。将反应炉抽真空至真空度为1×10-4Pa，然后向反应炉内通入氢气保护气体。
S3、将反应炉升温到1000℃，保温10min，反应炉的升温速率为30℃/min。
S4、以10℃/min的速率将反应率冷切到室温，得到单层二维碳化硅晶体材料。
实施例3
S1、采用金属铬作为衬底材料，将衬底材料清洗干净，去除衬底材料表面的氧化层后，置于反应炉内。
S2、将一氧化碳和硅氯烷作为原料通入密闭的反应炉内，一氧化碳和硅氯烷的摩尔比为10:1。将反应炉抽真空至真空度为5×10-5Pa，然后向反应炉内通入氮气保护气体。
S3、将反应炉升温到600℃，保温100min，反应炉的升温速率为20℃/min。
S4、以5℃/min的速率将反应率冷切到室温，得到单层二维碳化硅晶体材料。
因此，本发明采用上述单层二维碳化硅晶体制备方法，能够解决现有的单层二维SiC材料制备温度要求高、条件苛刻，收率低的问题。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种单层二维碳化硅晶体制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采用过渡金属作为衬底材料，将衬底材料清洗干净，去除衬底材料表面的氧化层后，置于反应炉内；
S2、将气相含碳化合物和气相含硅化合物作为原料通入密闭的反应炉内，将反应炉抽真空至真空度为1×10-5Pa-1×10-4Pa，然后向反应炉内通入保护气体；
S3、将反应炉升温到100℃-1000℃，保温10-100min，使得气相含碳化合物和气相含硅化合物在衬底材料上生长；
S4、以1℃/min-10℃/min的速率将反应率冷切到室温，得到单层二维碳化硅晶体材料。
2.根据权利要求1所述的一种单层二维碳化硅晶体制备方法，其特征在于：所述S1中，过渡金属为镍、铬、铁、铜、钨或其二元、三元、四元合金。
3.根据权利要求1所述的一种单层二维碳化硅晶体制备方法，其特征在于：所述S2中，气相含碳化合物为气化碳、一氧化碳、甲烷、乙烷、乙烯或乙炔中的一种或几种任意比例的混合气体。
4.根据权利要求1所述的一种单层二维碳化硅晶体制备方法，其特征在于：所述S2中，气相含硅化合物为气化硅、硅烷、硅氯烷中的一种或几种任意比例的混合气体。
5.根据权利要求1所述的一种单层二维碳化硅晶体制备方法，其特征在于：所述S2中，保护气体为氩气、氢气、氮气或氦气中的一种或几种任意比例的混合气体。
6.根据权利要求1所述的一种单层二维碳化硅晶体制备方法，其特征在于：所述S2中，气相含碳化合物与气相含硅化合物的摩尔比为1:10-10:1。
7.根据权利要求1所述的一种单层二维碳化硅晶体制备方法，其特征在于：所述S3中，反应炉的升温速率为10℃/min-30℃/min。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20230103 |