專利名稱：碲化鎵二維材料的制備方法及二維結構碲化鎵柔性透明光探測器的制備方法
技術領域：
本發明涉及一種材料的制備方法及采用此材料制備光探測器的制備方法。
背景技術：
目前二維半導體材料，像二硫化鑰、氮化硼以及二維鎵族層狀材料的發展狀況。作為二維層狀材料的代表，石墨烯無論是在基礎研究還是實際應用方面都引起了極大的關注。但是，石墨烯的零帶隙和半金屬性都嚴重的阻礙了它在半導體器件領域的應用。所以，其它的類石墨烯二維材料在目前的材料、物理、化學等領域都引起了廣泛的關注。盡管二維半導體材料近幾十年才剛剛興起，但是很多研究都表明其很多光電特征可以彌補石墨烯的不足。此外這些二維半導體材料的物理、化學性能可以通過摻雜或者引入插層原子或分子的形式來進行修飾以滿足不同器件的需要。由于其較大的比表面積、多種特殊的光學電學性質，在不久的將來包括石墨烯在內的二維層狀材料將會在各個領域得到應用。包括電子電路，自旋電子學，光激二極管，非線性光學材料，太赫茲產生，探測器件，超級電容器，鋰離子電池，太陽能電池，化學和生物傳感器以及催化等領域。雖然已經進行了 h-BN、過渡金屬二硫化物及其它二維半導體電學性能的理論研究，但是其它的基礎研究像光學、機械、化學等性能還沒有得到充分的研究。目前這些材料在理論上的特殊性能亟需相應實驗來驗證。與石墨烯及h-BN相比，在生長大面積、高質量的單層或少層的過渡金屬二硫化物及其它二維半導體方面依然很困難。目前已經有不少合成二維半導體材料的方法，例如:化學氣相沉積、范德華外延以及化學反應等方法。但是這些產物的質量與產率遠達不到實際應用的要求。無論是在基礎研究還是實際應用領域，在合成二維半導體材料上，對材料的大小、形狀、邊緣以及層數的控制都 至關重要。盡管類石墨烯二維層狀材料還處在襁褓之中，但是已經探知的其相關的特異性能吸引了更多的研究人員去進行進一步探索。二維結構的半導體材料不僅在性能上具備了場效應晶體管、光電子器件所需達到的要求，而且在機械性能、力學要求上對于構筑復雜的器件都有很好的適應性，因此能夠贏得越來越多科學工作者的青睞，石墨烯的發現拉開了一種新型二維層狀材料的研究序幕，二維半導體功能材料為滿足電子科技的高速發展和能源新材料的研究注入了新的血液。綜上所述，二維功能材料具有重要的研究價值和意義，它的出現將推動信息革命的進一步發展，在電子工業中采用此種材料可以實現電子器件、光電器件的微納化、高密度集成化，制備出體型更小、質量更輕、性能更穩定的電子產品，進一步滿足人們在現實生活中的種種需求。隨著技術的發展，對未來的電子器件也提出了更多的更先進的要求，例如:便攜、耐磨損、可伸縮以及較高的透明度。所以這就要求那些建立在關鍵設備上的電子系統需要柔性透明的基底來支撐。柔性透明的電子器件不僅能夠增加電子設備的美觀，而且還有更多其它功能。例如:高的光透過性、機械可伸縮性等。目前的電子設備主要以硬質基底，不透明的硅技術為主。這些硅基底無法滿足便攜、耐磨損、可伸縮以及較高的透明度等要求。發明內容
本發明的目的是為了解決現有硅基底無法滿足便攜、耐磨損、可伸縮以及較高的透明度的技術問題，提供了一種碲化鎵二維材料的制備方法及二維結構碲化鎵柔性透明光探測器的制備方法。碲化鎵二維材料的制備方法按照以下步驟進行:將鎵與碲按照1: 1.15-3的摩爾比混合，然后在氬氣氣流量為10 30sCCm、450-550°C的條件下保溫1-3小時，然后再以20_30°C /h的升溫速度升至840_900°C，并保溫I小時，然后自然冷卻至室溫，得到碲化鎵二維材料。二維結構碲化鎵柔性透明光探測器的制備方法如下:一、將碲化鎵二維材料剝離成長為30-60微米、寬為30-40微米、厚度為2_15納米的碲化鎵二維材料薄層；二、將碲化鎵二維材料薄層粘在聚對苯二甲酸乙二酯上，干燥后得到二維結構的碲化鎵半導體；三、以銅制掩膜為模板利用真空鍍膜機在二維結構的碲化鎵半導體的表面沉積大小為ImmX 1mm、電極間距為10 μ m、厚度為60 IOOnm的電極,其中電極中鉻層厚20 40nm,金層厚40 60nm,得到器件；四、將器件放在管式爐中，在溫度為100-200°C、氬氣與氫氣的混合氣中退火處理15min，得到二維結構碲化鎵柔性透明光探測器，其中氬氣與氫氣的混合氣中氬氣與氫氣的體積比為9: I。本發明具有如下優點:一、本發明在·制備二維納米材料的方法上選取膠帶這種低成本、易操作的工具，方便的分離、轉移出了厚度僅有幾個納米的片層半導體；二、本發明在制備器件電極的工藝上，選擇真空熱蒸鍍的方法較常規的磁控濺射制備電極成本大大降低，材料與電極接觸良好，阻抗很低；三、本發明因為采用柔性、透明的聚對苯二甲酸乙二酯為基底，所以制備的可以任意的彎曲、且透光性好，單個器件大小在幾百個微米左右，可通過大規模集成，制備高效的光電轉換電池，且器件的形狀和大小完全取決于所用的模板，具有很好的加工性能。本發明制備的二維功能材料碲化鎵光探測器對可見光的響應率很大，相應時間約在30ms以下，響應靈敏度高，并在彎折多次后光響應基本沒有變化，二維功能材料碲化鎵光探測器是很穩定的。
圖1是試驗一制備的碲化鎵二維材料薄層的掃描電鏡照片；圖2是試驗一制備的碲化鎵二維材料薄層的原子力厚度表征圖；圖3是試驗一制備的碲化鎵二維材料薄層的原子力厚度測試結果；圖4是試驗一制備的二維結構碲化鎵柔性透明光探測器的光學照片；圖5是試驗一制備的二維結構碲化鎵柔性透明光探測器在不同波長的光照下的伏安特性曲線圖，圖中A表示二維結構碲化鎵柔性透明光探測器在黑暗條件下時的伏安特性曲線，B表示二維結構碲化鎵柔性透明光探測器在光照波長為254nm時的伏安特性曲線，C表示二維結構碲化鎵柔性透明光探測器在光照波長為365nm時的伏安特性曲線，D表示二維結構碲化鎵柔性透明光探測器在光照波長為490nm時的伏安特性曲線，E表示二維結構碲化鎵柔性透明光探測器在光照波長為530nm時的伏安特性曲線，F表示二維結構碲化鎵柔性透明光探測器在光照波長為610nm時的伏安特性曲線，G表示二維結構碲化鎵柔性透明光探測器在光照波長為710nm時的伏安特性曲線；圖6是試驗一制備的二維結構碲化鎵柔性透明光探測器在不同光強度的可見光照下時間電流曲線，圖中A表示波長為490nm、強度為0.246mff/cm2 二維功能材料碲化鎵光探測器的時間電流曲線，B表示波長為490nm、強度為0.303mff/cm2 二維功能材料碲化鎵光探測器的時間電流曲線，C表示波長為490nm、強度為0.383mff/cm2 二維功能材料碲化鎵光探測器的時間電流曲線，D表示波長為490nm、強度為0.475mff/cm2 二維功能材料碲化鎵光探測器的時間電流曲線，E表示波長為490nm、強度為0.572mff/cm2 二維功能材料碲化鎵光探測器的時間電流曲線，F表示波長為490nm、強度為0.668mff/cm2 二維功能材料碲化鎵光探測器的時間電流曲線，G表示波長為490nm、強度為0.759mff/cm2 二維功能材料碲化鎵光探測器的時間電流曲線，H表示波長為490nm、強度為0.846mff/cm2 二維功能材料碲化鎵光探測器的時間電流曲線；圖7是不同彎折次數下試驗一制備的二維結構碲化鎵柔性透明光探測器的1-V曲線圖，圖中一表示沒有彎折的二維結構碲化鎵柔性透明光探測器的1-V曲線圖，一表示彎折20次二維結構碲化鎵柔性透明光探測器的1-V曲線圖，一表示彎折40次二維結構碲化鎵柔性透明光探測器的1-V曲線圖，’表示彎折60次二維結構碲化鎵柔性透明光探測器的1-V曲線圖，一:表示彎折80次二維結構碲化鎵柔性透明光探測器的1-V曲線圖，—表示彎折80次二維結構 碲化鎵柔性透明光探測器的1-V曲線圖；圖8是不同彎折次數下試驗一制備的二維結構碲化鎵柔性透明光探測器的光電相應曲線圖，圖中一表示沒有彎折的二維結構碲化鎵柔性透明光探測器的光電相應曲線圖，一表示彎折50次二維結構碲化鎵柔性透明光探測器的光電相應曲線圖，一表示彎折100次二維結構碲化鎵柔性透明光探測器的光電相應曲線圖；圖9是試驗一制備的二維結構碲化鎵柔性透明光探測器的照片；圖10是試驗一制備的二維結構碲化鎵柔性透明光探測器的照片。
具體實施例方式本發明技術方案不局限于以下所列舉具體實施方式
，還包括各具體實施方式
間的任意組合。
具體實施方式
一:本實施方式碲化鎵二維材料的制備方法按照以下步驟進行:將鎵與碲按照1: 1.15-3的摩爾比混合，然后在氬氣氣流量為10 30sCCm、450-550°C的條件下保溫1-3小時，然后再以20_30°C /h的升溫速度升至840_900°C，并保溫I小時，然后自然冷卻至室溫，得到碲化鎵二維材料。
具體實施方式
二:本實施方式與具體實施方式
一不同的是將鎵與碲按照1: 1.15的摩爾比混合。其它與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三:本實施方式與具體實施方式
一或二之一不同的是IS氣氣流量為10 30sccm。其它與具體實施方式
一或二之一不相同。
具體實施方式
四:本實施方式與具體實施方式
一至三之一不同的是在500°C的條件下保溫。其它與具體實施方式
一至三之一相同。
具體實施方式
五:本實施方式與具體實施方式
一至四之一不同的是以22°C /h的升溫速度升至880°C，并保溫I小時。其它與具體實施方式
一至四之一相同。
具體實施方式
六:本實施方式與具體實施方式
一至五之一不同的是以25V /h的升溫速度升至850°C，并保溫I小時。其它與具體實施方式
一至五之一相同。
具體實施方式
七:本實施方式二維結構碲化鎵柔性透明光探測器的制備方法如下:一、將碲化鎵二維材料剝離成長為30-60微米、寬為30-40微米、厚度為2_15納米的碲化鎵二維材料薄層；二、將碲化鎵二維材料薄層用思高膠帶粘在清洗過的聚對苯二甲酸乙二酯上，反復輕壓排去膠帶和聚對苯二甲酸乙二酯間的氣泡，撕去膠帶，用乙醇清洗基底以除去殘留的膠印，干燥后得到二維結構的碲化鎵半導體；三、以銅制掩膜為模板利用真空鍍膜機在二維結構的碲化鎵半導體的表面沉積大小為ImmX 1mm、電極間距為10 μ m、厚度為60 IOOnm的電極,其中電極中鉻層厚20 40nm,金層厚40 60nm,得到器件；四、將器件放在管式爐中，在溫度為100-200°C、氬氣與氫氣的混合氣中退火處理15min，得到二維結構碲化鎵柔性透明光探測器，其中氬氣與氫氣的混合氣中氬氣與氫氣的體積比為9: I。
具體實施方式
八:本實施方式與具體實施方式
七不同的是步驟一中將碲化鎵二維材料剝離成長為40微米、寬為35微米、厚度為10米的碲化鎵二維材料薄層。其它與具體實施方式
七相同。
具體實施方式
九:本實施方式與具體實施方式
七或八不同的是步驟二中電極中鉻層厚30nm，金層厚50nm。其它與具體實施方式
七或八相同。
具體實施方式
十:本實施方式與具體實施方式
七至九之一不同的是步驟三中在溫度為100°c、氬氣與氫氣的混合氣中退火處理15min。其它與具體實施方式
七至九之一相同。采用下述試驗驗證本發明效果:試驗一:碲化鎵二維材料的制備方法按照以下步驟進行:將鎵與碲按照1: 1.15的摩爾比混合，然后在氬氣氣流量為15SCCm、500°C的條件下保溫2小時，然后再以25°C /h的升溫速度升至850°C，并保溫I小時，然后自然冷卻至室溫，得到碲化鎵二維材料。二維結構碲化鎵柔性透明光探測器的制備方法如下:一、將碲化鎵二維材料剝離成長為45微米、寬為35微米、厚度為8納米的碲化鎵二維材料薄層；二、將碲化鎵二維材料薄層用思高膠帶粘在清洗過的聚對苯二甲酸乙二酯上，反復輕壓排去膠帶和聚對苯二甲酸乙二酯間的氣泡，撕去膠帶，用乙醇清洗基底以除去殘留的膠印，干燥后得到二維結構的碲化鎵半導體；
三、以銅制掩膜為模板利用真空鍍膜機在二維結構的碲化鎵半導體的表面沉積大小為ImmX 1mm、電極間距為10 μ m、厚度為800nm的電極,其中電極中鉻層厚40nm,金層厚40，得到器件；四、將器件放在管式爐中，在溫度為100°C、氬氣與氫氣的混合氣中退火處理15min，得到二維結構碲化鎵柔性透明光探測器，其中氬氣與氫氣的混合氣中氬氣與氫氣的體積比為9: I。將二維結構碲化鎵 柔性透明光探測器在暗室無光照、偏置電壓為IV的條件下進行伏安特性曲線測試。將二維結構碲化鎵柔性透明光探測器在在光照波長為254nm、365nm、490nm、530nm、610nm、710nm的條件下進行伏安特性曲線測試,測試結果如圖5。本試驗制備的二維結構碲化鎵柔性透明光探測器在不同彎折次數后的1-V曲線圖如圖7所示，從圖中看出二維結構碲化鎵柔性透明光探測器在不同彎折次數后1-V曲線基本沒有變化。本試驗制備的二維結構碲化鎵柔性透明光探測器在不同彎折次數后的光電相應曲線圖如圖8所示，從圖中看出二維結構碲化鎵柔性透明光探測器的光導大小及響應時間都基本沒有變化。從以上的試驗結果可知二維結構碲化鎵柔性透明光探測器功能可以得以很好的實現。從圖中可以看出二維功能材料碲化鎵光探測器對可見光的響應率很大，相應時間約在30ms以下，響應靈敏度高，并在彎折多次后光響應基本沒有變化證明可器件是很穩定的。
權利要求
1.碲化鎵二維材料的制備方法，其特征在于碲化鎵二維材料的制備方法按照以下步驟進行: 將鎵與碲按照1: 1.15-3的摩爾比混合，然后在氬氣氣流量為10 30SCCm、450-550°C的條件下保溫1-3小時，然后再以20_30°C /h的升溫速度升至840_900°C，并保溫I小時，然后自然冷卻至室溫，得到碲化鎵二維材料。
2.根據權利要求1所述碲化鎵二維材料的制備方法，其特征在于將鎵與碲按照1: 1.15的摩爾比混合。
3.根據權利要求1所述碲化鎵二維材料的制備方法，其特征在于氬氣氣流量為10 30sccm.
4.根據權利要求1所述碲化鎵二維材料的制備方法，其特征在于在500°C的條件下保溫。
5.根據權利要求1所述碲化鎵二維材料的制備方法，其特征在于以22°C/h的升溫速度升至880°C，并保溫I小時。
6.根據權利要求1所述碲化鎵二維材料的制備方法，其特征在于以25℃ /h的升溫速度升至850°C，并保溫I小時。
7.二維結構碲化鎵柔性透明光探測器的制備方法，其特征在于二維結構碲化鎵柔性透明光探測器的制備方法如下: 一、將碲化鎵二維材料剝離成長為30-60微米、寬為30-40微米、厚度為2-15納米的碲化鎵二維材料薄層； 二、將碲化鎵二維材料薄層粘在聚對苯二甲酸乙二酯上，干燥后得到二維結構的碲化鎵半導體； 三、以銅制掩膜為模板利用真空鍍膜機在二維結構的碲化鎵半導體的表面沉積大小為ImmX 1mm、電極間距為10 μ m、厚度為60 IOOnm的電極，其中電極中鉻層厚20 40nm，金層厚40 60nm，得到器件； 四、將器件放在管式爐中，在溫度為100-200°C、氬氣與氫氣的混合氣中退火處理15min，得到二維結構碲化鎵柔性透明光探測器，其中氬氣與氫氣的混合氣中氬氣與氫氣的體積比為9: 1。
8.根據權利要求7所述二維結構碲化鎵柔性透明光探測器的制備方法，其特征在于步驟一中將碲化鎵二維材料剝離成長為40微米、寬為35微米、厚度為10米的碲化鎵二維材料薄層。
9.根據權利要求7所述二維結構碲化鎵柔性透明光探測器的制備方法，其特征在于步驟二中電極中鉻層厚30nm，金層厚50nm。
10.根據權利要求7所述二維結構碲化鎵柔性透明光探測器的制備方法，其特征在于步驟三中在溫度為100°c、氬氣與氫氣的混合氣中退火處理15min。
全文摘要
碲化鎵二維材料的制備方法及二維結構碲化鎵柔性透明光探測器的制備方法，它涉及一種材料的制備方法及采用此材料制備光探測器的制備方法。本發明為了解決現有硅基底無法滿足便攜、耐磨損、可伸縮以及較高的透明度的技術問題。材料的制備將鎵與碲混合、保溫，卻至室溫，即得。光探測器的制備制備二維結構的碲化鎵半導體，以銅制掩膜為模板利用真空鍍膜機在二維結構的碲化鎵半導體的表面沉積電極，得到器件，將器件退火處理即得光探測器。本發明因為采用柔性、透明的聚對苯二甲酸乙二酯為基底，所以制備的可以任意的彎曲、且透光性好，單個器件大小在幾百個微米左右。本發明屬于光探測器材料及制備領域。
文檔編號H01L31/18GK103236469SQ201310139850
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月22日 優先權日2013年4月22日
發明者胡平安, 李曉超, 李俊杰, 李曉光, 馮偉, 王曉娜, 王立峰, 張甲 申請人:哈爾濱工業大學