选择性图案化制备二硫化铪氮化硼异质结材料的方法技术

本发明专利技术提供了一种选择性图案化制备二硫化铪氮化硼HfS2/h‑BN异质结材料的方法，其包括以下步骤：步骤1、将h‑BN晶畴或薄膜材料转移至目标衬底上；步骤2、对转移至目标衬底上的h‑BN进行目标图案化光刻；步骤3、在氧气气氛下对h‑BN衬底进行退火处理，以去除h‑BN表面残留的有机物；步骤4、退火完成后，在h‑BN衬底表面生长HfS2原子晶体，选择性制备HfS2/h‑BN异质结材料。本发明专利技术制备过程简单、成本低、可控性强，对基于HfS2/h‑BN材料的光电子学器件的大规模集成化生产和应用具有重大意义。

【技术实现步骤摘要】
选择性图案化制备二硫化铪氮化硼异质结材料的方法
本专利技术涉及纳米材料制备
，特别是涉及一种选择性图案化制备二硫化铪氮化硼异质结材料的方法。
技术介绍
近年来在电子学和光电子学方面，由于石墨烯的零带隙特点，对光的吸收能力差且开关比低，限制了它的进一步应用。因此，人们将研究重点转向了具有一定带隙宽度的过渡金属硫属化物(TMDs，MX2，M为过渡金属如Mo、Hf等，X为S、Se等)。该材料具有众多优异的物理性能。首先，TMDs具有石墨烯材料所缺少的自然带隙。再者，TMDs具有光致发光现象，为其在光电子器件方面的应用提供了无限可能。此外，TMDs有着良好的柔韧性和透明度，单层TMDs场效应晶体管有着将晶体管推向更小尺寸的巨大潜力。因此，TMDs将会是继石墨烯之后又一个半导体材料研究热点。在众多TMDs材料中，HfS2有着优于其他材料的物理性能。譬如，HfS2室温载流子迁移率理论预测值可达1800cm2·V-1·s-1，是热门材料MoS2的50倍之多；再者，理论计算显示基于HfS2的场效应晶体管电流密度高达500μA·μm-1，远高于其他过渡金属硫化物材料。六方氮化硼(h-BN)是良好的衬底和栅介质层材料，其表面原子级的平整度可以减少其他异质结材料在生长过程中界面处所产生的缺陷，提高材料的载流子迁移率。h-BN已被证明是石墨烯良好的衬底和栅介质层材料，基于石墨烯/h-BN异质结构的器件在电学性能、稳定性等方面均表现出明显的优势。因此，有理由相信HfS2/h-BN异质结材料在电学性能、稳定性等方面也会有着巨大的提升和应用价值。但目前有关HfS2/h-BN异质结材料的研究仍有多个难题需要解决。特别是在材料生长上的探索不足，机械剥离法制得的HfS2/h-BN异质结材料存在着样品尺寸小，材料厚度不可控，制备过程随机性强等问题，很大程度上限制了其大规模集成化生产。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题鉴于上述技术问题，本专利技术提供了一种选择性图案化制备二硫化铪氮化硼HfS2/h-BN异质结材料的方法。本专利技术制备过程简单、成本低、可控性强，对基于HfS2/h-BN材料的光电子学器件的大规模集成化生产和应用具有重大意义。(二)技术方案根据本专利技术的一个方面，提供了一种选择性图案化制备二硫化铪氮化硼HfS2/h-BN异质结材料的方法，其包括以下步骤：步骤1、将h-BN晶畴或薄膜材料转移至目标衬底上；步骤2、对转移至目标衬底上的h-BN进行目标图案化光刻；步骤3、在氧气气氛下对h-BN衬底进行退火处理，以去除h-BN表面残留的有机物；步骤4、退火完成后，在h-BN衬底表面生长HfS2原子晶体，选择性制备HfS2/h-BN异质结材料。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本专利技术一种选择性图案化制备二硫化铪氮化硼异质结材料的方法至少具有以下有益效果其中之一：(1)本专利技术可对HfS2/h-BN异质结材料的尺寸、形状以及厚度进行预先的设计和调整，制备过程具有严格意义上的可控性；(2)本专利技术制备过程简单，制备成本低，可为进一步实现基于各种尺寸、形状以及厚度的二硫化铪氮化硼异质结材料器件的集成提供帮助，最终实现相关器件的规模化应用。附图说明图1为本专利技术实施例选择性图案化制备二硫化铪氮化硼异质结材料的方法的流程图。图2为本专利技术实施例制备的二硫化铪氮化硼异质结材料的AFM高度图以及对应相图。图3为本专利技术实施例制备的二硫化铪氮化硼异质结材料的Raman光谱图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。在本专利技术的示例性实施例中，提供了一种选择性图案化制备二硫化铪氮化硼HfS2/h-BN异质结材料的方法，其包括以下步骤：步骤1、将h-BN晶畴或薄膜材料转移至目标衬底SiO2上；步骤2、对转移至目标衬底SiO2上的h-BN进行目标图案化光刻；步骤3、在氧气气氛下对h-BN衬底进行退火处理，以去除h-BN表面残留的有机物；步骤4、退火完成后，在h-BN衬底表面生长HfS2原子晶体，选择性制备HfS2/h-BN异质结材料。具体地，在步骤1中，转移h-BN晶畴或薄膜材料所用到的转移技术与转移石墨烯材料的相同，包括基于热释放胶带、聚二甲基硅氧烷PDMS的干法转移技术以及基于聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、松香Rosin、丙烯酸酯Elvacite的湿法转移技术。h-BN晶畴或薄膜材料被转移前位于金属箔衬底上，金属箔衬底可以是铜箔或镍箔。优选地，h-BN晶畴为h-BN单晶畴。作为一种具体实施方式，在步骤2中，进行目标图案化光刻的半导体光刻技术包括光学曝光、准分子激光曝光、电子束曝光。对h-BN进行目标图案化光刻，目标图案为各种形状的图案。在本实施例中，在步骤3中，将光刻后的衬底放入管式炉中并在氧气气氛下进行退火处理，以去除h-BN表面残留的有机物，退火时衬底的温度为500～800℃，退火时间为15～60min，氧气流量为5～50sccm，工作压强在10～100Pa之间。进一步地，在步骤4中，以四氯化铪和硫粉作为反应源，在氩气与氢气混合气氛下，采用化学气相沉积(CVD)技术或分子束外延(MBE)技术，在h-BN表面生长二硫化铪二维原子晶体单晶畴或薄膜，选择性制备HfS2/h-BN异质结材料。其中，生长二硫化铪二维原子晶体的衬底温度为900～950℃之间；生长二硫化铪二维原子晶体时，氩气流量为10～50sccm，氢气流量为5～10sccm，工作压强为20～100Pa之间；二硫化铪二维原子晶体单晶畴的生长时间为1～5min，二硫化铪二维原子晶体薄膜的生长时间为6～20min。经过步骤4的生长完成后，将长有HfS2/h-BN二维原子晶体异质结材料的衬底在纯氩气气氛下快速降至室温，完成制备过程。在进行步骤1的转移之前，将目标衬底SiO2依次用去离子水、丙酮、异丙醇和乙醇分别超声洗净，吹干。图1为本专利技术实施例选择性图案化制备二硫化铪氮化硼异质结材料的方法的流程图。如图1所示，本专利技术选择性图案化制备二硫化铪氮化硼异质结材料的方法包括如下步骤：步骤A：利用基于Rosin的湿法转移技术在目标衬底SiO2上转移一层h-BN晶畴或薄膜材料；其中，在转移前，衬底SiO2依次用去离子水、丙酮、异丙醇和乙醇分别超声20min洗净。h-BN晶畴或薄膜材料是基于本实验室自行开发的离子束溅射沉积IBSD技术在铜箔上制备的。步骤B：利用半导体光刻技术对h-BN进行目标图案化光刻；其中，所述的半导体光刻技术包含光学曝光、准分子激光曝光、电子束曝光等技术中的一种或多种。目标图案为各种形状的图案。步骤C：将光刻后的衬底放入管式炉中并在流量为10sccm的氧气气氛下进行退火处理30min，以去除h-BN表面残留的有机物；其中，退火温度设定为700℃。步骤D：退火完成后，采用化学气相沉积技术，以四氯化铪和硫粉作为反应源，在20sccm氩气以及10sccm氢气混合气氛下，在h-BN表面选择性生长二硫化铪二维原子晶体单晶畴或薄膜，制备HfS2/h-BN异质结材料；其中，衬底温度设定为950℃，反应时间为10min。图2示出了本专利技术中经过上述步骤A-D后所制备HfS2/h-BN异质结材料的AFM高度图以及对应的相图；可以发现，HfS2选择性本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种选择性图案化制备二硫化铪氮化硼HfS2/h‑BN异质结材料的方法，其包括以下步骤：步骤1、将h‑BN晶畴或薄膜材料转移至目标衬底上；步骤2、对转移至目标衬底上的h‑BN进行目标图案化光刻；步骤3、在氧气气氛下对h‑BN衬底进行退火处理，以去除h‑BN表面残留的有机物；步骤4、退火完成后，在h‑BN衬底表面生长HfS2原子晶体，选择性制备HfS2/h‑BN异质结材料。

【技术特征摘要】
1.一种选择性图案化制备二硫化铪氮化硼HfS2/h-BN异质结材料的方法，其包括以下步骤：步骤1、将h-BN晶畴或薄膜材料转移至目标衬底上；步骤2、对转移至目标衬底上的h-BN进行目标图案化光刻；步骤3、在氧气气氛下对h-BN衬底进行退火处理，以去除h-BN表面残留的有机物；步骤4、退火完成后，在h-BN衬底表面生长HfS2原子晶体，选择性制备HfS2/h-BN异质结材料。2.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤4中，生长二硫化铪原子晶体的衬底温度为900～950℃之间。3.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤4中，生长二硫化铪原子晶体单晶畴时，其生长时间为1～5min，生长二硫化铪原子晶体薄膜时，其生长时间为6～20min。4.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤4中，以四氯化铪和硫粉作为反应源，在氩气与氢气混合气氛下，采用化学气相沉积技术或分子束外延技术，在h-BN衬底表面生长二硫化铪原子晶体单晶畴或薄膜，选择性制备HfS2/h-BN异质结材料。5.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤4中，以二硫化铪粉体作为反...

【专利技术属性】
技术研发人员：王登贵，张兴旺，尹志岗，孟军华，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11