一种基于二维层状材料的器件及制备方法技术

本发明专利技术公开一种基于二维层状材料的器件及其制备方法，器件由电极一和电极二构成；所述电极一为二维层状材料；所述电极一由辅助部件支撑，悬空摆放；所述电极一和电极二顶端之间形成缝隙一；所述电极二顶端面积小于电极一悬空部分的面积；所述电极二的侧边与辅助部件的侧边之间形成缝隙二；器件工作时电极一和电极二之间施加电压；该器件可实现二维层状材料平面端面的低压场致电子发射，可应用于低压驱动、低真空条件下工作的微纳真空三极管或光电探测器。

【技术实现步骤摘要】
一种基于二维层状材料的器件及制备方法
本专利技术涉及电子和光电子器件
，具体而言，涉及一种基于二维层状材料的器件及制备方法。
技术介绍
二维层状材料（例如：石墨烯、二硫化钼、二硒化钨等）是一类新型的场致电子发射材料。典型的少层二维层状材料（原子层数为2-10）的厚度小于10nm，其锐利的边缘具有强电场增强效应，有利于获得低压场致电子发射。因此，已报道的文献多数利用二维层状材料的锐利边缘实现低压场致电子发射，并作为电子源进行了应用尝试。然而，二维层状材料边缘的晶体结构和电子特性的一致性难以控制，少层直立的二维层状材料刚性较差，形貌差异较大，不利于微纳真空电子器件的制作，特别限制了其在微纳真空二极管、微纳真空三极管中的应用尝试。如果能有效利用二维层状材料的平面端面实现低压场致电子发射，将有可能解决上述难题，促进二维层状材料在微纳真空电子器件中的应用。但是，二维层状材料的平面端面不具备明显的电场增强效应；大部分二维层状材料具有较高的功函数或电子亲和势，例如石墨烯的功函数为4.5eV、二硫化钼的电子亲和势为4.2eV、二硒化钨的电子亲和势为4.06eV、黑磷的电子亲和势为4.4eV。上述问题造成二维层状材料平面端面场致电子发射效率低，难以实现低压驱动。有研究者提出通过内电场增强二维层状材料电子的面内散射，发生声子辅助场发射；或通过焦耳热增加二维层状材料面内热电子浓度，诱导热电子发射。上述两种方式均有效地降低了二维层状材料平面端面的场致电子发射开启电压；然而，内电场和焦耳热的引入使器件能耗增加。
技术实现思路
本专利技术旨在解决现有技术中二维层状材料平面端面场致电子发射特性差，难以在微纳器件中应用的问题，提供一种能实现二维层状材料平面端面低压场致电子发射的器件。本专利技术的另一目是提供上述基于二维层状材料的器件的制备方法。本专利技术的上述目的通过以下技术方案予以实现：一种基于二维层状材料的器件，器件由电极一和电极二构成；所述电极一为二维层状材料；所述电极一由辅助部件支撑，悬空摆放；所述电极一和电极二顶端之间形成缝隙一；所述电极二顶端面积小于电极一悬空部分的面积；所述电极二的侧边与辅助部件的侧边之间形成缝隙二；器件工作时电极一和电极二之间施加电压。所述电极一与电极二顶端之间的缝隙一的宽度为1-100nm；所述电极一悬空部分的面积为电极二顶端面积的3倍以上；所述电极二的侧边与辅助部件的侧边之间的缝隙二的宽度为10-5000nm。基于二维层状材料的器件应用于低压驱动的微纳真空三极管时，所述电极二施加的电压高于所述电极一施加的电压；所述电极二顶端面积小于电极一悬空部分的面积，所述电极二的侧边与辅助部件的侧边之间形成缝隙二，使电极二正对的二维层状材料电极一局域位置中电子能级钉扎效应弱化；在电极二电场诱导下，电极一中的电子填充到较高的能级并产生场致电子发射；所述电极一与电极二顶端之间的纳米缝隙有助于降低器件驱动电压，实现所述器件在低压驱动的微纳真空三极管中的应用。基于二维层状材料的器件应用于光电探测器时，所述电极二施加的电压高于所述电极一施加的电压；所述电极二顶端面积小于电极一悬空部分的面积，所述电极二的侧边与辅助部件的侧边之间形成缝隙二，使电极二正对的二维层状材料电极一局域位置中电子能级钉扎效应弱化；在电极二电场诱导下，电极一中的电子填充到较高的能级；激光的辐照使位于高能级的电子获得足够的能量越过表面势垒发射到真空中，发射的电子被电极二收集形成光电流，实现对光信号的探测；由于位于高能级的电子发射所需的光子能量较小，使二维层状材料电极一吸收光谱的截止波长变长，响应波长范围变宽。基于二维层状材料的器件应用于低真空条件下工作的微纳真空三极管或光电探测器时，由于电极一与电极二顶端之间的缝隙一为1-100nm，与电子在大气中的平均自由程相当，器件工作过程中气体分子与电子发生碰撞电离导致器件击穿的概率较小，使器件可以在低真空条件下工作。当所述电极二施加的电压高于电极一施加的电压时，可诱导二维层状材料电极一的平面端面发射电子。优选地，所述二维层状材料电极一为石墨烯、二硫化钼、二硒化钨、黑磷、氧化石墨烯、硅烯、二硫化钨、二硫化钛、二硒化钼、碲化铋、碲化锑、氮化硼中的一种或多种的组合体。优选地，所述电极二为金属材料或半导体材料；所述构成电极二的金属材料为钼、铬、铜、金、钛、铝、镍中的一种或多种的合金；所述构成电极二的半导体材料为硅、碳化硅、锗、硼、金刚石、氧化锌、氧化钛、氧化铜、氧化钨、氮化铝、氮化镓中的一种或多种的组合体。优选地，所述辅助部件为金属材料或半导体材料或绝缘材料；所述构成辅助部件的金属材料为钼、铬、铜、金、钛、铝、镍中的一种或多种的合金；所述构成辅助部件的半导体材料为硅、碳化硅、锗、硼、金刚石、氧化锌、氧化钛、氧化铜、氧化钨、氮化铝、氮化镓中的一种或多种的组合体；所述构成辅助部件的绝缘材料为二氧化硅、氮化硅、氧化铝、陶瓷、云母、玻璃中的一种或多种的组合体。一种基于二维层状材料的器件的制备方法，包括以下步骤：SI.制作电极二；所述电极二顶部的曲率半径或半径为1-25nm；SII.在所述电极二外侧集成对电极一起支撑作用的辅助部件，得到第一组合体；所述辅助部件的上表面与电极二顶端的高度差为1-100nm；所述电极二的侧边与辅助部件的侧边之间的缝隙二的宽度为10-5000nm；SIII.制备二维层状材料，并在所述二维层状材料的上表面粘附胶带，得到二维层状材料——胶带组合体；SIV.将所述二维层状材料——胶带组合体与所述第一组合体中辅助部件的顶部相连接，使二维层状材料脱离胶带，二维层状材料架设于辅助部件上并悬空于电极二上方，所得组合体为所述器件。在上述步骤SII中，通过调整所述辅助部件的上表面与电极二顶端的高度差，调节范围为1-100nm；从而调整所述器件中电极一与电极二顶端之间的距离，调节范围为1-100nm。在上述步骤SIII中，所述二维层状材料通过机械剥离、液相剥离或化学气相沉积的方法制备而成；在所述二维层状材料——胶带组合体中，所述二维层状材料的厚度为0.3-50nm。上述步骤SIII通过以下方法进行：S1.将所述二维层状材料放置于第一衬底上；S2.在S1所得二维层状材料上表面涂覆聚苯乙烯溶液，自然风干，得到二维层状材料——聚苯乙烯组合体；S3.在S2所得二维层状材料——聚苯乙烯组合体的聚苯乙烯层上粘附带孔洞的胶带，利用胶带将二维层状材料——聚苯乙烯组合体脱离第一衬底，得到所述二维层状材料——胶带组合体。在上述步骤S1中，所述构成第一衬底的材料为硅、二氧化硅、氮化硅、氧化铝、石英、铜、铁、不锈钢中的一种或多种的组合体。上述步骤SIV通过以下方法进行：S11.在S3所得二维层状材料——胶带组合体胶带的孔洞中粘附聚二甲基硅氧烷薄膜，撕去胶带，得到第一组合薄片；所述孔洞的尺寸与粘附的聚二甲基硅氧烷薄膜的面积相当；S12.在S11所得第一组合薄片聚二甲基硅氧烷薄膜的上表面粘附载玻片，得到第二组合薄片；将所述第二组合薄片的二维层状材料与所述第一组合体中支撑电极一的辅助部件顶部相连接，得到第二组合体；S13.将S12所得第二组合体加热，脱离载玻片和聚二甲基硅氧烷薄膜，并去除聚苯乙烯，得到的组合体为所述器件。优选地，在所述步骤S13中，所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于二维层状材料的器件，器件由电极一和电极二构成；所述电极一为二维层状材料；所述电极一由辅助部件支撑，悬空摆放；所述电极一和电极二顶端之间形成缝隙一；所述电极二顶端面积小于电极一悬空部分的面积；所述电极二的侧边与辅助部件的侧边之间形成缝隙二；器件工作时电极一和电极二之间施加电压。

【技术特征摘要】
1.一种基于二维层状材料的器件，器件由电极一和电极二构成；所述电极一为二维层状材料；所述电极一由辅助部件支撑，悬空摆放；所述电极一和电极二顶端之间形成缝隙一；所述电极二顶端面积小于电极一悬空部分的面积；所述电极二的侧边与辅助部件的侧边之间形成缝隙二；器件工作时电极一和电极二之间施加电压。2.根据权利要求1所述的基于二维层状材料的器件，其特征在于，所述电极一与电极二顶端之间的缝隙一的宽度为1-100nm。3.根据权利要求1所述的基于二维层状材料的器件，其特征在于，所述电极一悬空部分的面积为电极二顶端面积的3倍以上。4.根据权利要求1所述的基于二维层状材料的器件，其特征在于，所述电极二的侧边与辅助部件的侧边之间的缝隙二的宽度为10-5000nm。5.根据权利要求1所述的基于二维层状材料的器件，其特征在于，所述二维层状材料厚度为0.3-50nm。6.根据权利要求1所述的基于二维层状材料的器件，其特征在于，所述二维层状材料为石墨烯、二硫化钼、二硒化钨、黑磷、氧化石墨烯、硅烯、二硫化钨、二硫化钛、二硒化钼、碲化铋、碲化锑、氮化硼中的一种或多种的组合体；所述电极二为金属材料或半导体材料；构成电极二的金属材料为钼、铬、铜、金、钛、铝、镍中的一种或多种的组合体；构成电极二的半导体材料为硅、碳化硅、锗、硼、金刚石、氧化锌、氧化钛、氧化铜、氧化钨、氮化铝、氮化镓中的一种或多种的组合体；所述辅助部件为金属材料或半导体材料或绝缘材料；构成辅助部件的金属材料为钼、铬、铜、金、钛、铝、镍中的一种或多种的组合体；构成辅助部件的半导体材料为硅、碳化硅、锗、硼、金刚石、氧化锌、氧化钛、氧化铜、氧化钨、氮化铝、氮化镓中的一种或多种的组合体；构成辅助部件的绝缘材料为二氧化硅、氮化硅、氧化铝、陶瓷、云母、玻璃中的一种或多种的组合体。7.一种基于二维层状材料的器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：SI.制作电极二；所述电极二顶端的曲率半径或半径为1-25nm；SII.在所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：佘峻聪，李炫廷，邓少芝，许宁生，陈军，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东,44