一種直接生長原子尺度二維半導體異質結的裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于機械制造和材料科學工程技術領域，涉及一種直接生長原子尺度二維半導體異質結的裝置及方法。
【背景技術】
[0002]二維材料是最近十年才發展起來一類重要的材料，其厚度通常從幾分之一納米到幾十納米，平面尺寸從幾十納米至幾百米不等，跨越微觀、介觀和宏觀三個尺度。二維材料由于在某一維度上具有納米級的尺度，使其具有許多優異的物理和化學性質，如二維材料的量子尺寸效應，量子限域效應，載流子平面傳輸，材料表面無懸鍵，組成材料的原子集中在其表面，比表面積大等。
[0003]2004年由英國曼徹斯特大學A.K.Geim和K.S.Novoselov教授發現的石墨稀是二維材料的典型代表，單層厚度僅為0.335nm。石墨烯獨特的二維結構賦予了其優異的電學、光學、力學和熱學性能，如高速載流子迀移率(2X105cm2/V.s)，約為商用硅半導體的電子迀移率的140倍，砷化鎵的20倍；高透明性(550nm時單層的透光率達97.3% );超高強度(楊氏模量達llOOGPa，斷裂強度達125GPa);超高的比表面積(2630m2/g);超高的熱導率(5300ff/m.K)。石墨烯這些優異的物理和化學性質使其在微納電子器件、能源轉化與存儲、航空航天、復合材料等方面擁有廣闊的應用前景。2011年，B.Radisavljevic等人剝離制備了類石墨烯的二維層狀原子晶體二硫化鉬(MoS2),單層厚度為0.63nm，禁帶寬度1.8eV。帶隙的出現使得MoSJt光具有很好的響應，由其構筑的晶體管電流開關比高達10 8，亞閥值斜率可達74mV/dev，光響應度可達2200A/W，接近硅材料的理論值。隨著研宄的深入，類似的二硫化鎢(WS2)、二砸化鉬(MoSe2)、二砸化鎢(WSe2)等二維層狀半導體化合物逐漸被發現，而且表現出與二硫化鉬類似的光電子學性質。
[0004]然而單一二維半導體在某些應用方面也存在著一定問題。例如石墨烯在室溫條件下具有超快的光電響應，其響應速度可達1.5ps，且具有寬頻響應特性，可實現在0.3?6 μπι波段范圍工作的光電子器件。但石墨稀光電響應度僅為6.1mA/W，且通過引入電子陷阱和空洞之后，也只提高到8.61A/W ;而且石墨烯為零帶隙半金屬性，沒有電子學意義上的“開”和“關”，嚴重制約其在未來電子電路中的應用。因此，如何調控石墨烯的電子特性和禁帶寬度，一直是石墨烯研宄領域的關鍵性課題。雖然諸如MoS2這類石墨烯二維材料具有一定的帶隙，較高的開關比和較高的光響應度；但也存在著一些缺點，如其電子迀移率較低(0.1?10cm2/V.s)，響應速度慢，一般在毫秒量級。如何提高此類二維半導體原子晶體的載流子迀移率，也是目前急需解決的研宄課題。
[0005]鑒于此，研宄者們試圖將兩種二維材料組合形成平面或垂直的異質結結構，充分利用兩種材料優勢，來獲得性能更好的器件。在這方面，Huang等人采用物理氣相沉積法，在水平放置的石英管中，以二砸化鉬和二砸化鎢粉末為前驅物，在帶有二氧化硅層表面650?750°C下生長出了平面二砸化鉬/ 二砸化鎢異質結。二砸化鉬和二砸化鎢界面平穩過渡并未產生缺陷和晶格失調等，同時該異質結材料表現出增強的光致發光性質。Gong等人采用化學氣相沉積法，在水平放置的石英管中，以硫粉和三氧化鉬為前驅物，在表面放置單質鎢粉和碲粉的硅片上生長出垂直的二硫化鎢/ 二硫化鉬異質結，同時還有少量產物為二者的水平異質結。所形成的異質結為P-η結，在二極管、太陽能電池、邏輯器件等方面具有廣泛的應用前景。上述這些方法可以制備出一定尺寸的異質結，但該方法隨機性較大、多種反應物質在一起，調控難度大，生長出來的異直接純度較低，一次反應獲得的產品量較少。此外，一些研宄者通過先生長出兩種材料，再通過剝離轉移等技術，將兩種材料組合在一起形成異質結。采用這種方法，兩種材料之間僅存在弱的范德華力，載流子在界面會發生嚴重的散射，影響材料器件性能。同時，轉移的過程中不可避免的引入雜質和污染，轉移過程繁瑣，器件的一致性、重復性能都難以保證，制作成本高、周期長。
【發明內容】
[0006]鑒于目前在二維半導體異質結制作方面存在的不足，本發明為直接生長高質量二維半導體異質結材料提供了一種有效、快速、結構簡單的裝置，利用新型反應裝置可以直接在基底表面生長原子尺度的二維半導體異質結。
[0007]本發明的目的是通過如下技術方案實現的:
[0008]一種直接生長原子尺度二維半導體異質結的裝置，包括氣氛調節裝置、快速切換裝置、石英管、加熱裝置和真空調節裝置，石英管的中段位于加熱裝置內部，石英管的左右兩端設置有快速切換裝置，所述快速切換裝置包括切換桿、后端蓋、前端蓋、第一套筒、第二套筒、第一耐高溫O型圈、第二耐高溫O型圈和石英構件，其中:后端蓋與前端蓋相連，前端蓋后端與后端蓋前端之間設置有第二套筒和第二耐高溫O型圈，第二套筒和第二耐高溫O型圈套在石英管左右兩端的外表面上；切換桿包括前驅物切換桿和基底切換桿，前驅物切換桿位于石英管左側，其個數至少為兩個，基底切換桿位于石英管右側，其個數至少為一個，切換桿的一端經后端蓋與位于石英管內部的石英構件相連，切換桿與后端蓋之間設置有第一套筒和第一耐高溫O型圈；位于石英管左端的后端蓋上開有進氣口，進氣口與氣氛調節裝置相連，位于石英管右端的后端蓋上開有出氣口，出氣口與真空調節裝置相連。
[0009]一種利用上述裝置直接生長原子尺度二維半導體異質結的方法，包括如下步驟:
[0010]一、根據需要制備的材料類型，確定前驅物切換桿和基底切換桿的個數，并將反應前驅物和反應基底分別放置在相應的石英構件上；
[0011]二、通過真空調節裝置使石英管內空氣盡量排除；
[0012]三、通過進氣口通入一定流量的載氣，利用氣氛調節裝置和真空調節裝置保持石英管內壓力在實驗需要的值；
[0013]四、將與基底切換桿相連的石英構件位于反應基底加熱溫區，也可以等升溫到設定的溫度后再把上述石英構件推進至反應基底加熱溫區，前驅物切換桿外拉，使與前驅物切換桿相連的石英構件離開反應前驅物加熱溫區，打開加熱裝置，設定反應前驅物和反應基底所需要的溫度和保持時間，進行升溫；
[0014]五、升溫至設定的溫度，移動第一個前驅物切換桿使石英構件到達反應前驅物加熱溫區，蒸發第一種前驅物生長第一種物質，反應至設定時間后，移動該切換桿使石英構件離開反應前驅物加熱溫區，結束第一種物質蒸發；
[0015]六、待加熱裝置的溫度至設定溫度，移動第二個前驅物切換桿使石英構件到達反應前驅物加熱溫區位置，蒸發第二種前驅物生長第二種物質，反應至設定時間后，移動該切換桿使石英構件離開反應前驅物加熱溫區，結束第二種物質蒸發，從而在第一種反應物質邊緣或者表面外延生產出第二中物質，從而形成兩種物質的異質結；
[0016]七、根據前驅物切換桿的數量重復步驟六；
[0017]八、結束反應，按設定降溫速率降溫至室溫。
[0018]與現有技術相比，本發明具有如下優勢:
[0019]1、現有的二維半導體生長裝置，一次只能生長出一種材料，且生長過程仍然包含升溫、反應、降溫這一必要的過程。而本發明在一個生長過程中可以生長一種或多種半導體材料，從而縮短了材料生長的時間、降低了生長成本、提高了生產效率。而且這種裝置不僅可以用來生長異質結，也可以在一次反應中生長兩種或兩種以上的單一物質。
[0020]2、目前