一种可控垂直硒化铋纳米片薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术的目的在于提供一种可控垂直硒化铋纳米片薄膜，所述薄膜由垂直于基体的Bi2Se3纳米片组成，纳米片尺寸为50纳米～50微米。本发明专利技术采用化学气相沉积法制备Bi2Se3薄膜，该方法能够可控的制备出高质量的具有明显光电响应的薄膜，测试发现该薄膜具有N型导电特性，可以和P型硅基片形成N型薄膜/P型硅片的双层结构，具有明显的可见光和近红外光电响应能力和较快光电响应时间，尤其在近红外波段具有强的光响应能力，具有良好的电探测应用前景。

Controllable vertical bismuth selenide nanosheet film and preparation method thereof

The object of the present invention is to provide a controllable vertical bismuth selenide nanosheet film, which is composed of a Bi2Se3 nanosheet perpendicular to the substrate, and the nanosheet size is 50 nm to 50 microns. The invention adopts chemical vapor deposition method to prepare Bi2Se3 thin film. The method can controllably prepare high-quality thin film with obvious photoelectric response. The test shows that the thin film has N-type conductivity, and can form N-type thin film/P-type silicon wafer double-layer structure with obvious visible light and near-infrared photoelectric response. It has strong photoresponse ability and fast photoelectric response time, especially in the near infrared band, and has good prospects for electrical detection.

【技术实现步骤摘要】
一种可控垂直硒化铋纳米片薄膜及其制备方法
本专利技术涉及光电探测和电子材料领域，特别提供一种具有形态可控的垂直Bi2Se3纳米片组成的薄膜，具有明显光响应，用于可见光和近红外光探测。
技术介绍
光电探测器的原理是由辐射引起被照射材料电导率发生改变。光电探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途，在可见光或近红外波段主要用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等。1873年，英国史密斯发现硒的光电导效应，但是这种效应长期处于探索研究阶段，未获实际应用。第二次世界大战以后，随着半导体的发展，各种新的光电导材料不断出现。可见光波段方面性能良好的CdS、CdSe光敏电阻和红外波段的PbS光电探测器都已投入使用。接着中远红外波段灵敏的Ge、Si掺杂光电导探测器研制成功。工作原理和特性：光电导效应是内光电效应的一种，当照射的光子能量hv等于或大于半导体的禁带宽度Eg时，光子能够将价带中的电子激发到导带，从而产生导电的电子、空穴对，这就是本征光电导效应。这里h是普朗克常数，v是光子频率，Eg是材料的禁带宽度(单位为电子伏)。因此，本征光电导体的响应长波限λc为λc＝hc/Eg＝1.24/Eg(μm)，式中c为光速。本征光电导材料的长波限受到禁带宽度的限制。Bi2Se3是典型的拓扑绝缘体材料，而拓扑绝缘体是一种具有奇异量子特性的新物质状态，其体电子态是有能隙的绝缘体，而表面则是无能隙的金属态。而表面金属态的出现是由其对称性所决定的，所以它的存在非常稳定，基本不受到杂质与无序的影响。拓扑绝缘体由于自旋轨道耦合作用，电子运动的规律性，正向与反向电子互不干扰。处于这样有序运动状态的电子不会相互碰撞，因此能耗很低。Bi2Se3具有较小的室温带隙，能实现可见光～近红外波段光电响应。目前制备的Bi2Se3薄膜是由Bi2Se3颗粒或平躺在基片上的Bi2Se3纳米片组成的，但对于由垂直Bi2Se3纳米片形成的薄膜至今尚未见报导。垂直纳米片形成的薄膜，由于比表面积的增加，有利于增强光电探测响应灵敏度。目前，利用化学气相沉积方法可控的制备垂直生长纳米片形成的Bi2Se3薄膜并研究其光电响应性能还没有报道。本专利技术即在不同处理过程的硅基片上，利用较低温度制备不同形态垂直生长的Bi2Se3薄膜，利用输运测试系统和氙灯模拟光源对薄膜光电探测响应进行测试。在可见光和近红外光波段得到明显快速的响应，这说明在简单且利于规模生产的条件下制备出了具有光电探测能力的薄膜，为Bi2Se3薄膜在光电探测领域中的应用开辟了新的途径。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种可控垂直硒化铋纳米片薄膜及其制备方法，该方法能够可控的制备出高质量的具有明显光电响应的薄膜，可应用于光电探测领域。本专利技术技术方案如下：一种应用于光电材料的Bi2Se3薄膜，其特征在于：所述薄膜由垂直于基体的Bi2Se3纳米片组成，纳米片尺寸为50纳米～50微米(优选50纳米～30微米)；所述薄膜厚度为20纳米～4微米，薄膜由尺寸不同的拓扑绝缘体Bi2Se3纳米片组成，测试发现该薄膜具有N型导电特性，可以和P型硅基片形成N型薄膜/P型硅片的双层结构，具有明显的可见光和近红外光电响应能力和较快光电响应时间，尤其在近红外波段具有强的光响应能力。本专利技术以氙灯模拟光源，研究其在可以控制的波长下，Bi2Se3薄膜的光响应特性。研究发现垂直生长的Bi2Se3薄膜与硅基片形成的PN结材料在400-1200纳米波段都有响应，而且900-1000纳米响应最为显著。而平躺生长的Bi2Se3薄膜与硅基片间有自然氧化的纳米二氧化硅，不能形成PN导电，仅为普通的半导体导电，对光几乎无响应。N型垂直生长Bi2Se3薄膜与硅基片形成双层结构薄膜光电响应时间约为10毫秒，所测样品面积为9-20平方毫米。本专利技术还提供了所述Bi2Se3薄膜的制备方法，其特征在于：采用化学气相沉积方法将Bi2Se3材料蒸发沉积在硅基片上，得到拓扑绝缘体Bi2Se3薄膜。本专利技术通过控制反应条件和硅基片处理过程，可控地制备N型或P型导电的垂直生长纳米片形成的Bi2Se3薄膜。本专利技术所述Bi2Se3薄膜的制备方法，其特征在于：制备薄膜前，将硅基片分别用酒精、丙酮超声洗涤5-50分钟，然后用稀HF酸(优选浓度为5％-20％)浸泡5秒到1小时，采用该种方式处理过的基片，能够制备得到由垂直纳米片组成的薄膜。而仅对硅基片用酒精、丙酮分别超声洗涤5-50分钟，制备得到的薄膜为由平躺的纳米片组成。本专利技术所述Bi2Se3薄膜的制备方法，其特征在于：Bi2Se3材料放置在炉管中心的上游，即距离进气口近的一端。基片放置在炉管中心下游，即距离出气口近的一端。蒸发沉积过程中，根据Bi2Se3材料源距离炉管中心的距离调节蒸发源温度(即炉管中心温度)，Bi2Se3材料源距炉管中心的距离一般为0-5cm，炉管中心温度为350℃～800℃；或根据基片与炉管中心的距离调节基片衬底温度，基片与炉管中心的距离为10～20厘米，基片衬底温度为100℃～550℃。本专利技术所述Bi2Se3薄膜的制备方法，其特征在于：蒸发沉积过程中，工作气体压强为10Pa～3000Pa、蒸发时间为5～480分钟，薄膜沉积后自然冷却到室温；工作气体为氢气和氩气的混合气体，氩气与氢气的体积比为100:1～1:0，两种气体比例通过气体流量计调控；工作气体总流量30～200sccm(标准毫升/分钟)；蒸发沉积的硅基片衬底温度为100℃～550℃；所用Bi2Se3材料为Bi2Se3粉末或块体(可为直接购买的高纯硒化铋)，基片采用P型单晶硅基片。利用氙灯作为光源，通过不同波长的滤光片获得单一波长的光，将制备所得样品放置在黑暗条件下，获取特定波长的电流-电压曲线和光电流数据。为了得到准确数据，采用灵敏度高纳伏表测量薄膜材料明暗态下的电压电流。一切测试都在大气状态，让氙灯光源透过不同滤光片直接照射在薄膜上，得到不同条件下制备样品光响应特性。本专利技术采用经HF处理的P型硅基片沉积N型Bi2Se3薄膜，垂直生长的Bi2Se3薄膜和硅基片形成PN结，在氙灯光源下对薄膜进行光电响应测试，测试发现所有样品对光电响应极其敏感。本专利技术所述制备方法简单，成本低廉，易于规模生产，技术关键在于：在HF处理的P型硅基片上制备的N型垂直生长的Bi2Se3薄膜可形成Bi2Se3/硅的PN结，通过电流-电压曲线可判断PN结特性。利用基片与薄膜间空间电荷层形成的内电场作用，减少光生电子和光生空穴的复合，有效地促进光生载流子产生，并延长载流子寿命，产生较强的光电响应和极短的光电响应时间。用X射线衍射和扫描电镜对Bi2Se3薄膜进行研究表明：在上述条件下制备的薄膜具有片状生长的特点，晶体质量高。经过稀HF酸浸泡的基片上可垂直生长Bi2Se3纳米片形成薄膜，X射线结果表现为多晶生长，而未经稀HF浸泡的基片，只能制备得到平躺Bi2Se3纳米片形成的薄膜，X射线结果表现为取向生长。垂直生长薄膜与硅基片形成PN结，在外加1伏特电压时，不同光波长下有光电流产生，特别是900-1000纳米波长时，更小电压时就有明显响应。附图说明图1Bi2Se3薄膜扫描电镜图片(实施例1)。图2Bi2Se3薄膜扫描电镜图片(实施例2)。图3Bi2Se3薄膜扫描电镜图片(实施例3)。图4Bi本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种应用于光电材料的Bi2Se3薄膜，其特征在于：所述薄膜由垂直于基体的Bi2Se3纳米片组成，纳米片尺寸为50纳米～50微米。

【技术特征摘要】
1.一种应用于光电材料的Bi2Se3薄膜，其特征在于：所述薄膜由垂直于基体的Bi2Se3纳米片组成，纳米片尺寸为50纳米～50微米。2.按照权利要求1所述应用于光电材料的Bi2Se3薄膜，其特征在于：所述薄膜厚度为20纳米～4微米。3.按照权利要求1或2所述应用于光电材料的Bi2Se3薄膜，其特征在于：所述薄膜由尺寸不同的Bi2Se3纳米片组成。4.一种权利要求1所述Bi2Se3薄膜的制备方法，其特征在于：采用化学气相沉积方法将Bi2Se3材料蒸发沉积在硅基片上，得到Bi2Se3薄膜。5.按照权利要求4所述Bi2Se3薄膜的制备方法，其特征在于：制备薄膜前，将硅基片分别用酒精、丙酮超声洗涤5-50分钟，然后用稀HF酸浸泡5秒到1小时。6.按照权利要求4所述Bi2Se...

【专利技术属性】
技术研发人员：王振华，李名泽，张志东，高翾，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21