一种基于等离子体浸没注入技术制备黑磷二维材料的方法技术

本发明专利技术提供一种基于等离子体浸没注入技术制备黑磷二维材料的方法，利用等离子体浸没注入系统产生的氢等离子对黑磷晶体材料产生刻蚀作用，从而获取到层数可控的黑磷二维材料；然后再利用乙炔等离子体对黑磷二维材料进行沉积/掺杂处理，提高了黑磷二维材料在常温、空气环境下的稳定性；该方法不仅提高了黑磷二维材料的整体质量，同时也简化制备的工艺，实现从黑磷晶体到稳定黑磷二维材料的一体化制备流程。

A method of preparing two-dimensional black phosphorus materials based on plasma immersion injection technology

The present invention provides a method based on plasma immersion ion implantation technique for the preparation of two-dimensional black phosphorus materials, using plasma immersion ion implantation system produces hydrogen plasma etching effect of black phosphorus crystal material to obtain two-dimensional black phosphorus material layer controlled; and then to deposition / treatment on two-dimensional black phosphorus doped materials by acetylene plasma to improve the stability, two-dimensional black phosphorus material at room temperature and air environment; the method not only improves the overall quality of two-dimensional black phosphorus materials, but also simplify the preparation process of the preparation process, realize the integration from the black crystal to stable two-dimensional black phosphorus phosphorus materials.

【技术实现步骤摘要】
一种基于等离子体浸没注入技术制备黑磷二维材料的方法
本专利技术涉及分子材料
，具体是一种基于等离子体浸没注入技术制备黑磷二维材料的方法。
技术介绍
黑磷作为一种新型二维材料，具有优异的电子迁移率和直接带隙结构，且层数越少，带隙能量越大，可被广泛应用在场效应晶体管、光电元件、太阳能电池等领域。目前，现有技术制备黑磷二维材料的方法主要是机械剥离法和液相剥离法。通过这些方法制备出的二维材料随机性较大，均匀性差，材料的完整性和层数无法控制，还需要后续根据需求进行离心或筛选操作方能使用，增加了制备工艺的复杂性。此外，黑磷二维材料性质不稳定，容易与氧气、水等发生反应，这也增加了黑磷二维材料制备的难度。等离子体浸没注入技术是一种将等离子体浸没和离子注入结合使用的新型技术。在处理过程中，样品始终浸没在等离子体氛围中，通过负偏压的影响，让等离子体轰击样品表面，这样不仅可以将离子注入到样品上，还可以对样品表面进行刻蚀作用。因等离子体浸没注入技术的独特优势，其被广泛应用在各类材料的表面处理中。中国专利文献(申请号201510475008.8，使用氧等离子体刻蚀黑磷二维材料体的加工方法)公开了一种使用氧等离子体刻蚀黑磷二维材料体的加工方法，该专利技术利用电感耦合等离子体刻蚀系统对多层的黑磷材料进行刻蚀而达到材料减薄的目的，同时生成第一层氧化磷保护层，然后通过原子层沉积镀膜系统在减薄的黑磷二维材料表面再形成第二层氧化铝薄膜保护层。然而，在该专利技术中，黑磷二维材料表面生成的氧化磷保护层，很不稳定，易与空气中的水发生反应，并且进一步增加其他保护层增加了操作的难度以及成本，不利于工业应用。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术的目的是提供一种基于等离子体浸没注入技术制备黑磷二维材料的方法。为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种基于等离子体浸没注入技术制备黑磷二维材料的方法，包括以下步骤：通过等离子体浸没注入技术，采用等离子体对黑磷晶体材料进行刻蚀反应，得到层数可控的黑磷二维材料，其中，所述等离子体为氢等离子体或惰性气体等离子体。优选地，所述惰性气体等离子体为He等离子体、Ar等离子体等。为了进一步提高黑磷二维材料的稳定性，优选地还包括以下步骤，通过等离子体浸没注入技术对所述黑磷二维材料进行碳元素的沉积或注入。优选地，所述刻蚀反应是氢气或惰性气体通过等离子体发生装置产生氢等离子体或惰性气体等离子体，在负偏压作用下，使得离子在等离子体和黑磷晶体表面间形成的离子鞘层中被加速后垂直轰击在黑磷晶体材料表面，不断地减薄黑磷晶体，从而获得黑磷二维材料。优选地，所述碳元素的沉积或注入是乙炔或甲烷通过等离子体发生装置产生乙炔等离子体或甲烷等离子体，在负偏压作用下，使得离子在等离子体和黑磷二维材料表面间形成的离子鞘层中被加速，然后垂直作用于黑磷二维材料，进而使碳元素沉积在黑磷二维材料表面和/或碳元素掺在黑磷二维材料中。通过负偏压强度和作用时间等参数调节可以有效控制轰击强度，从而实现黑磷材料层数的可控性。进一步优选地，氢气或惰性气体通入等离子体发生装置的流量为10-500sccm，优选100-200sccm，气压为0.1-0.5Pa，采用射频电离氢气或惰性气体，射频功率为20W以上，优选30-500W，更优选50-350W，脉冲偏压为-500～-10V，优选-200～-10V，刻蚀时间为5-40min，优选10-20min。进一步优选地，乙炔或甲烷通过等离子体发生装置的流量为10-200sccm，优选40-100sccm，气压为0.1-0.5Pa，采用射频电离乙炔或甲烷，射频功率为30-500W，直流偏压为-100～-10V，优选-500～-10V，作用时间为5-15min。具体而言，在一个方面，本专利技术涉及提供一种基于等离子体浸没注入技术制备黑磷二维材料的方法，具体包括以下步骤(其所用设备的示意图如图1所示)：(1)将黑磷晶体转移到二氧化硅/硅片表面，或氮化硅/硅片表面，并浸泡丙酮中，加热到30-70℃，优选50℃，浸泡20-60min，优选30min，除去表面的杂质，得到样品1；(2)将样品1放入等离子浸没注入设备中的靶台2上；(3)抽真空，至真空腔体3中的真空度为4×10-3Pa-6×10-3Pa；优选5×10-3Pa。(4)通入氢气或惰性气体，开启等离子体发生装置，氢气或惰性气体的流量为10-500sccm，优选100-200sccm，气压为0.1-0.5Pa，采用射频电离氢气或惰性气体，射频功率为20W以上，优选30-500W，更优选50-350W，脉冲偏压为-500～-10V，优选-200～-10V，产生的氢等离子或惰性气体等离子体开始对黑磷晶体进行刻蚀作用，刻蚀时间为5-40min，优选10-20min，得到黑磷二维材料。另一个方面，本专利技术进一步涉及提供一种基于等离子体浸没注入技术制备黑磷二维材料的方法，具体包括以下步骤：(1)将黑磷晶体转移到二氧化硅/硅片表面，并浸泡丙酮中，加热到30-70℃，优选50℃，浸泡20-60min，优选30min，除去表面的杂质，得到样品1；(2)将样品1放入等离子浸没注入设备中的靶台2上；(3)抽真空，至真空腔体3中的真空度为4×10-3Pa-6×10-3Pa；优选5×10-3Pa；(4)通入氢气或惰性气体，开启等离子体发生装置，氢气或惰性气体的流量为10-500sccm，优选100-200sccm，气压为0.1-0.5Pa，采用射频电离氢气或惰性气体，射频功率为20W以上，优选30-500W，更优选50-350W，脉冲偏压为-500～-10V，优选-200～-10V，产生的氢等离子或惰性气体等离子体开始对黑磷晶体进行刻蚀作用，刻蚀时间为5-40min，优选10-20min，得到黑磷二维材料；(5)关闭等离子体发生装置并停止通入氢气或惰性气体，改换成通入乙炔或甲烷气体；(6)乙炔或甲烷气体通入一段时间，待氢气或惰性气体排净后，重新开启等离子体发生装置，乙炔或甲烷流量为10-200sccm，优选40-100sccm，气压为0.1-0.5Pa，采用射频电离乙炔或甲烷，射频功率为30-300W，直流偏压为-100～-10V，优选-500～-10V，产生的乙炔等离子体或甲烷等离子体作用于步骤(4)中得到的黑磷二维材料，作用时间为5-15min，在黑磷二维材料中掺杂碳元素和/或在黑磷二维材料表面沉积碳元素，进而获得稳定的黑磷二维材料。又一方面，本专利技术提供一种黑磷二维材料，其是通过上述基于等离子体浸没注入技术制备黑磷二维材料的方法制备得到的，所述黑磷二维材料中掺杂有碳元素和/或所述黑磷二维材料表面沉积有碳元素。综上，本专利技术采用等离子体浸没注入技术制备稳定性良好的黑磷二维材料。其中，通过等离子体浸没注入系统对注入氢气或惰性气体进行放电作用产生氢等离子体或惰性气体等离子体，使得靶台上黑磷晶体材料处于离子体氛围内。然后，在负偏压环境中，由于电场的作用，离子在等离子体和黑磷晶体表面形成的离子鞘层中被加速，氢等离子体或惰性气体等离子体垂直轰击黑磷晶体表面，对靶台上黑磷晶体产生刻蚀作用，持续地减薄黑磷晶体的厚度，其中，通过调节负偏压强度和作用时间等参数控制轰击强度，从而获得层数可控的黑磷二维材料。随后，任选将本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于等离子体浸没注入技术制备黑磷二维材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：通过等离子体浸没注入技术，采用等离子体对黑磷晶体材料进行刻蚀反应，得到层数可控的黑磷二维材料，所述等离子体为氢等离子体或惰性气体等离子体。

【技术特征摘要】
1.一种基于等离子体浸没注入技术制备黑磷二维材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：通过等离子体浸没注入技术，采用等离子体对黑磷晶体材料进行刻蚀反应，得到层数可控的黑磷二维材料，所述等离子体为氢等离子体或惰性气体等离子体。2.根据权利要求1所述的基于等离子体浸没注入技术制备黑磷二维材料的方法，其特征在于，还包括以下步骤，通过等离子体浸没注入技术对所述黑磷二维材料进行碳元素的沉积或注入。3.根据权利要求1所述的基于等离子体浸没注入技术制备黑磷二维材料的方法，其特征在于，氢气或惰性气体通过等离子体发生装置产生等离子体，其中氢气或惰性气体通入等离子体发生装置的流量为10-500sccm，气压为0.1-0.5Pa；采用射频电离气体，射频功率为30-500W；脉冲偏压为-500～-10V。4.根据权利要求1所述的基于等离子体浸没注入技术制备黑磷二维材料的方法，其特征在于，刻蚀时间为5-40min。5.根据权利要求1或3-4中任一项所述的基于等离子体浸没注入技术制备黑磷二维材料的方法，其特征在于，所述层数可控的黑磷二维材料可为单层或少层。6.根据权利要求2所述的基于等离子体浸没注入技术制备黑磷二维材料的...

【专利技术属性】
技术研发人员：江敏，李婉，喻学锋，
申请(专利权)人：深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：广东,44