硫系化物薄膜、包括其的装置和形成该薄膜的方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种硫系化物薄膜，其包括具有式MCx的贵金属硫系化物材料。M可代表贵金属，C可代表硫族元素，x可以是等于或大于1.4且小于2的任意一个正值。在光入射到所述硫系化物薄膜上时，所述硫系化物薄膜可被配置成产生电子和空穴。本发明专利技术提供了一种具有增加的空位或缺陷的硫系化物薄膜的制备方法，其中，增加的空位或缺陷可能导致带隙的降低，并增加在诸如中红外的波长范围下的吸收。所述硫系化物薄膜用于包括光电检测器或太阳能电池在内的装置。

Chalcogenide thin films, devices including them, and methods for forming them

The invention relates to a chalcogenide film, which comprises a noble metal chalcogenide material with a formula MCx. M can represent precious metals, C can represent chalcogenide elements, and X can be any positive value equal to or greater than 1.4 and less than 2. When light is incident on the chalcogenide film, the chalcogenide film can be configured to generate electrons and holes. The present invention provides a method for preparing chalcogenide thin films with increased vacancies or defects, in which increased vacancies or defects may lead to a decrease in bandgap and increase absorption in a wavelength range such as mid-infrared. The chalcogenide film is used for devices including photoelectric detectors or solar cells.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】硫系化物薄膜、包括其的装置和形成该薄膜的方法相关申请的交叉引用本申请要求于2016年9月2日提交的新加坡专利申请号为10201607347V的优先权，其内容在此以引用方式全部并入本申请。
本公开的各个方面涉及硫系化物薄膜。本公开的各个方面涉及包括硫系化物薄膜的装置。本公开的各个方面涉及形成硫系化物薄膜的方法。
技术介绍
已有很多关于中红外(mid-IR)辐射的研究，因为这样的波段包含了最常见的分子振动的指纹，并且由于大气中这种波长的透明窗口，该波段也可能相对不受影响地通过大气。此外，中红外辐射在光通信、红外成像和分析科学等新兴领域具有巨大的应用。商用汞镉碲化物(HgCdTe)作为一种应用最广泛的中红外材料，表现出宽带响应，这可通过调整合金成分或外部改变工作温度来实现。锑化铟(InSb)是一种直接带隙半导体，已广泛用于短波中红外应用中。通过氮掺杂，InSb的工作范围可以扩展到～7μm。除了基于带间跃迁的这些材料之外，在过去的二十年中还开发了具有不同半导体交替层的化合物半导体超晶格，用于基于子带间跃迁的中红外光电子学。然而，上述中红外材料可能存在一些缺点，例如环境毒性、高成本和/或复杂的制造工艺。二维(2D)材料具有原子厚度，并且由于其惊人的电学和光学性质而使材料科学、化学和物理学领域发生了革命性的变化。例如，石墨烯作为一种具有以蜂窝状排列的碳原子层的二维材料，由于其独特的光电性质，例如宽带吸收、超高载流子迁移率等，已在中红外应用中引起了广泛的兴趣。然而，低吸收系数和短载流子寿命(在皮秒范围内)仍然是开发高性能中红外光电装置的主要问题。现有的挑战为寻找具有本征窄带隙的替代2D材料提供了动力。黑磷烯(Blackphosphorene，BP)是近年来发现的一种2D层状材料，具有0.3eV～2.0eV的依赖性带隙。虽然层状BP可用于中红外光电探测器和调制器，但层状BP仅覆盖～4.1μm(0.3eV)的波长，并且还具有相对差的环境稳定性。另一方面，二维过渡金属硫系化物(TMDC)(MX2，M＝Mo，W，X＝S，Se)由于较大的带隙和较低的载流子迁移率而不适用于中红外操作。因此，这些开发的TMDCs大多数不适用于低能量光谱范围的应用。
技术实现思路
本专利技术的各实施方式可提供一种硫系化物薄膜。所述硫系化物薄膜可包括具有式MCx的贵金属硫系化物材料。M可代表贵金属。C可代表硫族元素。x可以是等于或大于1.4且小于2的任意一个正值。在光入射到所述硫系化物薄膜上时，所述硫系化物薄膜可被配置成产生电子和空穴。本专利技术的各实施方式可提供一种包括硫系化物薄膜的装置。本专利技术的各实施方式可提供一种形成硫系化物薄膜的方法。该方法可包括形成具有式MCx的贵金属硫系化物材料。M可代表贵金属。C可代表硫族元素。x可以是等于或大于1.4且小于2的任意一个正值。在光入射到所述硫系化物薄膜上时，所述硫系化物薄膜可被配置成产生电子和空穴。附图说明当结合非限制性示例和附图考虑时，参考详细说明将更好地理解本专利技术，其中：图1A示出了根据各实施方式的硫系化物薄膜的一般性说明。图1B示出了根据各实施方式的光电检测器或太阳能电池。图2显示了根据各实施方式形成硫系化物薄膜的方法的一般示意图。图3是比较了根据各实施方式的缺陷工程化双层硒化铂(PtSe2)光电探测器与商用汞镉碲化物(HgCdTe)光电探测器、商用量子阱磷化铟(QWIP)光电探测器和石墨烯光电探测器的各种参数的表格。图4A示出了根据各实施方式通过化学气相转移(CVT)形成硒化铂晶体的一种方式。图4B示出了强度(任意单位或a.u.)对2θ(以度为单位)的曲线图，其显示了根据各实施方式制造的硒化铂单晶的X射线粉末衍射(XRD)图。图4C示出了制造的硒化铂晶体的图像，插图显示根据各实施方式的硒化铂(PtSe2)晶体的扫描电子显微镜(SEM)图像。图4D示出了强度(任意单位或a.u.)对能量(以千电子伏或keV为单位)的曲线图，其显示了根据各实施方式制造的硒化铂单晶的能量色散X射线能谱(EDS)。图5A示出了显示根据各实施方式的单层硒化铂的图像。图5B是高度(以纳米或nm为单位)对距离(微米或μm)的曲线图，其示出了如图5A中所示的根据各实施方式的单层硒化铂的高度分布。图5C示出了显示根据各实施方式的双层硒化铂的图像。图5D是高度(以纳米或nm为单位)对距离(微米或μm)的曲线图，其示出了如图5C中所示的根据各实施方式的双层硒化铂的高度分布。图5E示出了显示根据各实施方式的三层硒化铂的图像。图5F是高度(以纳米或nm为单位)对距离(微米或μm)的曲线图，其示出了如图5E中所示的根据各实施方式的三层硒化铂的高度分布。图6A示出了根据各实施方式通过化学气相转移(CVT)形成硒化铂晶体的另一种方式。图6B示出了根据各实施方式所生长的硒化铂晶体的图像(左)和硒化铂晶体的扫描电子显微镜(SEM)图像(右)。图6C示出了从根据各实施方式的硒化铂样品的隧道电子显微镜表征获得的扫描隧道电子显微镜(STEM)Z-衬度图。图6D示出了根据各实施方式的硒化铂(PtSe2)晶体结构的示意图。图6E示出了根据各实施方式的硒化铂(PtSe2)晶体的晶体结构的不同侧视图的示意图。图7A示出了根据各实施方式的多层堆叠的硒化铂(PtSe2)晶体结构的示意图。图7B是示出了根据各实施方式的三维(3D)硒化铂(PtSe2)块体膜的布里渊区(Brillouinzone)的示意图。图7C是示出了根据各实施方式的二维(2D)硒化铂(PtSe2)薄膜的布里渊区的示意图。图7D是能量(以电子伏特或eV为单位)对各点的曲线图，其示出了根据各实施方式的硒化铂(PtSe2)块体膜的带结构。图7E是能量(以电子伏特或eV为单位)对各点的曲线图，其示出了根据各实施方式的硒化铂(PtSe2)三层膜的带结构。图8A示出了根据各实施方式的单层硒化铂(标记为1L)的图像。图8B是高度(以纳米或nm为单位)对距离(微米或μm)的曲线图，其示出了图8A中所示的单层硒化铂的高度分布。图8C示出了根据各实施方式的双层硒化铂(标记为2L)的图像。图8D是高度(以纳米或nm为单位)对距离(微米或μm)的曲线图，其示出了图8C中所示的双层硒化铂的高度分布。图8E示出了根据各实施方式的三层硒化铂(标记为3L)的图像。图8F是高度(以纳米或nm为单位)对距离(微米或μm)的曲线图，其示出了图8E中所示的三层硒化铂的高度分布。图8G示出了根据各实施方式的多层硒化铂的扫描透射电子显微镜(STEM)–Z-衬度图。图8H是能量(以电子伏特或eV为单位)对各点的曲线图，其示出了根据各实施方式的完美硒化铂(PtSe2)单层的态密度(densityofstates，DOS)。图8I是能量(以电子伏特或eV为单位)对各点的曲线图，其示出了根据各实施方式的完美硒化铂(PtSe2)双层的态密度(DOS)。图8J是能量(以电子伏特或eV为单位)对各点的曲线图，其示出了根据各实施方式的完美硒化铂(PtSe2)三层的态密度(DOS)。图9A是强度(任意单位或a.u.)对拉曼位移(以每厘米或cm-1为单位)的曲线图，其显示了根据各实施方式的单层、双层和三层硒化铂的拉曼光谱。图9B是强度(任意单位或a.u.)对拉本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硫系化物薄膜，包括：具有式MCx的贵金属硫系化物材料；其中，M代表贵金属；其中，C代表硫族元素；其中，x为等于或大于1.4且小于2的任意一个正值；以及其中，在光入射到所述硫系化物薄膜上时，所述硫系化物薄膜被配置成产生电子和空穴。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.09.02 SG 10201607347V1.一种硫系化物薄膜，包括：具有式MCx的贵金属硫系化物材料；其中，M代表贵金属；其中，C代表硫族元素；其中，x为等于或大于1.4且小于2的任意一个正值；以及其中，在光入射到所述硫系化物薄膜上时，所述硫系化物薄膜被配置成产生电子和空穴。2.根据权利要求1所述的薄膜，其特征在于，所述硫系化物薄膜为单层的所述贵金属硫系化物材料。3.根据权利要求1所述的薄膜，其特征在于，所述硫系化物薄膜为双层的所述贵金属硫系化物材料。4.根据权利要求1-3任一项所述的薄膜，其特征在于，所述光包括可见光。5.根据权利要求1-4任一项所述的薄膜，其特征在于，所述光包括红外光。6.根据权利要求5所述的薄膜，其特征在于，所述红外光为中红外光。7.根据权利要求1-6任一项所述的薄膜，其特征在于，所述贵金属硫系化物材料为选自由硒化铂、硫化铂、硒化钯和硫化钯组成的群中的任意一种材料。8.根据权利要求7所述的薄膜，其特征在于，所述贵金属硫系化物材料为硒化铂；其中，所述贵金属硫系化物材料为选自由PtSe1.8、PtSe1.6和PtSe1.4组成的群中的任意一种。9.一种装置，包括根据权利要求1-8任一项所述的硫系化物薄膜。10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述装置为光电检测器或太阳能电池。11.一种形成硫系化物薄膜的方法，所述方法包括：形成具有式MCx的贵金属硫系化物材料；其中，M代...

【专利技术属性】
技术研发人员：余学超，余鹏，王岐捷，刘政，
申请(专利权)人：南洋理工大学，
类型：发明
国别省市：新加坡,SG