二维磁性半导体材料MnIn2Se4的制备方法及在光探测器和场效应晶体管的应用技术

一种锰铟硒晶体、其制备方法、二维磁性半导体材料、光探测器及场效应晶体管，该锰铟硒晶体的制备方法，包括将锰粉、铟粒、硒粉混合，得到混合物；将得到的混合物真空封入容器内后放入加热设备中生长，得到锰铟硒晶体。本发明专利技术的二维磁性半导体材料具有对于可见光的优异光响应性质，同时在温度为2K时表现出铁磁性；锰铟硒晶体采用高温管式炉制备，晶体结晶质量高，可实现大规模制备，对环境无污染。

Preparation of two-dimensional magnetic semiconductor material MnIn2Se4 and its application in photodetectors and field effect transistors

【技术实现步骤摘要】
二维磁性半导体材料MnIn2Se4的制备方法及在光探测器和场效应晶体管的应用
本专利技术属于半导体材料
，具体涉及一种二维磁性半导体材料锰铟硒的制备方法及在光探测器和场效应晶体管方面的应用。
技术介绍
自2004年二维材料石墨烯被成功制备以来，二维材料因其优异的性质迅速成为最为热门的材料，并在多个领域被证实具有应用潜力。在二维材料中，最受关注的为二维半导体材料。这类半导体材料具有原子级厚度，因此被认为是具有构筑突破摩尔定律极限的新一代场效应晶体管的材料。此外，单层的二维半导体材料通常为直接带隙半导体，因此往往具备优异的光响应性质。因此目前二维半导体材料已经在光电子领域展现出巨大的应用前景。然而目前对于二维半导体器件的研究只局限于光电子器件领域，鲜有基于二维半导体材料的磁性器件研究。这是因为具有磁性的二维半导体材料非常稀少。如果能够成功制备出一种既具有磁性，又具备较好光电性质的二维半导体材料，则可有望制备出新型自旋光电子及存储器件。因此成功制备出同时具备磁性及优异光电性质的二维半导体材料显得尤为重要。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的主要目的之一在于提出一种锰铟硒晶体、其制备方法、二维磁性半导体材料、光探测器及场效应晶体管，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。为了实现上述目的，作为本专利技术的一个方面，提供了一种锰铟硒晶体的制备方法，包括如下步骤：(1)将锰粉、铟粒、硒粉混合，得到混合物；(2)将步骤(1)得到的混合物真空封入容器内后放入加热设备中生长，得到锰铟硒晶体。作为本专利技术的另一个方面，还提供了一种如上所述制备方法制得的锰铟硒晶体。作为本专利技术的又一个方面，还提供了一种二维磁性半导体材料，将如上所述的锰铟硒晶体进行剥离后得到。作为本专利技术的再一个方面，还提供了一种光探测器，内含有如上所述的二维磁性半导体材料。作为本专利技术的又再一个方面，还提供了一种场效应晶体管，内含有如上所述的二维磁性半导体材料。基于上述技术方案可知，本专利技术的锰铟硒晶体、其制备方法、二维磁性半导体材料、光探测器及场效应晶体管相对于现有技术至少具有以下优势之一：(1)本专利技术所述的二维磁性半导体材料(MnIn2Se4)具有对于可见光的优异光响应性质，同时在温度为2K时表现出铁磁性；(2)对所述锰铟硒(MnIn2Se4)晶体材料进行机械剥离，得到的纳米级厚度的二维磁性半导体材料，可制备成高性能的光电探测器、场效应晶体管，并具有制备新型自旋器件的潜力；(3)所述锰铟硒晶体采用高温管式炉制备，晶体结晶质量高，可实现大规模制备，对环境无污染。附图说明图1为本专利技术实施例1中制备的锰铟硒晶体的X射线衍射图；图2为本专利技术实施例1中制备的锰铟硒晶体的X射线光电子能谱图；图3为本专利技术实施例1中制备的纳米级锰铟硒薄层二维材料的原子力显微镜图；图4A为本专利技术实施例1中制备的场效应晶体管的光响应性质图；图4B为本专利技术实施例1中制备的场效应晶体管的场效应性质图；图5为本专利技术实施例1中制备的锰铟硒晶体在超导量子干涉仪中温度为2K时测得的磁滞回线。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，对本专利技术作进一步的详细说明。本专利技术公开了一种锰铟硒晶体的制备方法，包括如下步骤：(1)将锰粉、铟粒、硒粉混合，得到混合物；(2)将步骤(1)得到的混合物真空封入容器内后放入加热设备中生长，得到锰铟硒晶体。其中，在步骤(1)得到的混合物中先加入传输介质后再执行步骤(2)；其中，所述的传输介质为碘；其中，所述碘的质量分数为混和物总质量的5-10％。其中，步骤(1)中所述的锰粉、铟粒、硒粉的摩尔比为1∶(1.8-2.2)∶(3.8-4.2)，例如为1∶2∶4。其中，步骤(2)中所述生长方法包括化学气相输运法或化学气相沉积法；其中，步骤(2)中在所述加热设备中的生长时间为3～5天，例如为4天；其中，步骤(2)中所述加热设备为管式炉，其包括双温区，高温端温度为900-1100℃、例如为950℃，低温端温度800-900℃、例如为880℃，将步骤(1)中所述混合物放在热端生长；其中，步骤(2)中所述生长步骤中包括将加热设备升温10小时，升温过程中升温速率为每小时90-100℃且高温端与低温端两端温差为65-75℃、温差例如为70℃；其中，步骤(2)中所述生长步骤结束后将装有锰铟硒晶体的容器冷却至20-30℃后再打开。其中，步骤(2)中所述容器的真空度为10-6-10-4torr、例如为10-5torr；其中，步骤(2)中所述容器包括石英管或密闭坩埚；其中，所述石英管的长为15-25cm、例如为20cm，内径为1-5cm、例如为2cm。其中，所述锰铟硒晶体的结构表达式为MnIn2Se4，结构为菱形结构，所属空间群为本专利技术还公开了一种如上所述的制备方法制得的锰铟硒晶体。本专利技术还公开了一种二维磁性半导体材料，将如上所述的锰铟硒晶体进行剥离后得到；其中，所述的剥离方法包括机械剥离；其中，所述二维磁性半导体材料的厚度为2-30nm；其中，所述二维磁性半导体材料的层间通过范德瓦尔斯力结合，层内原子通过共价键结合；其中，所述二维磁性半导体材料在2-5K时具有磁性。本专利技术还公开了一种光探测器，内含有如上所述的二维磁性半导体材料。本专利技术还公开了一种场效应晶体管，内含有如上所述的二维磁性半导体材料。在一个实施方式中，本专利技术例如采用如下技术方案：本专利技术的二维磁性半导体材料不但是一种二维半导体，还具备一定的磁性。通过化学气相沉积法，成功生长出了MnIn2Se4晶体，并利用机械剥离的方法制备出了少层MnIn2Se4薄层材料。少层MnIn2Se4表现出了非常优异的对于可见光的光响应性质，同时在低温下表现出了铁磁性。这说明MnIn2Se4具有制备新型自旋、磁光微纳器件的潜力。本专利技术属于半导体材料
，具体涉及一种二维磁性半导体材料锰铟硒及其制备方法。该二维磁性半导体材料具有优异的对于可见光的光响应性质且在低温下具有铁磁性，因此是一种性能优异的二维稀磁半导体。锰铟硒晶体的制备方法为，以锰粉、铟粒及硒粉为原料，碘粒做为反应气相输运的载体，通过化学气相输运法制备而成。本专利技术获得的二维锰铟硒材料(二维磁性半导体材料)为二维结构，材料层间通过范德瓦尔斯力结合，层内原子通过共价键相结合，通过机械剥离的方法可以制备出具有纳米级厚度的薄层材料。光电和磁性测试的结果表明锰铟硒是一种同时具备优异光响应、场效应和磁性的二维半导体材料，因此在新型磁光器件及自旋电子学领域具有极高的应用潜力。具体的，二维磁性半导体材料，通过化学气相沉积法制得，所述材料为锰铟硒。所述二维磁性半导体材料的结构表达式为MnIn2Se4，为菱形Rhombohedral相六方结构，所属空间群为一种如上所述的二维磁性材料的制备方法，以锰粉、铟粒、硒粉为原料，通过化学气相沉积法进行材料生长，得到的晶体即为二维磁性半导体材料。其中，所述制备方法包含以下几个步骤：(1)将锰粉、铟粒、硒粉及传输介质碘粒按照摩尔比进行配比并混合均匀；(2)将步骤(1)中的原料混合物置入一石英管中，将石英管抽真空并密封；(3)将步骤(2)中的石英管置于带有双温区的管式炉中，通过化学气相沉积法生长4天后，得到二维磁性半导体晶体材料。其中，所述的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锰铟硒晶体的制备方法，包括如下步骤：(1)将锰粉、铟粒、硒粉混合，得到混合物；(2)将步骤(1)得到的混合物真空封入容器内后放入加热设备中生长，得到锰铟硒晶体。

【技术特征摘要】
1.一种锰铟硒晶体的制备方法，包括如下步骤：(1)将锰粉、铟粒、硒粉混合，得到混合物；(2)将步骤(1)得到的混合物真空封入容器内后放入加热设备中生长，得到锰铟硒晶体。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤(1)得到的混合物中先加入传输介质后再执行步骤(2)；作为优选，所述的传输介质为碘；作为进一步优选，所述碘的质量分数为混和物总质量的5-10％。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的锰粉、铟粒、硒粉的摩尔比为1∶(1.8-2.2)∶(3.8-4.2)、优选1∶2∶4。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述生长方法包括化学气相输运法或化学气相沉积法；作为优选，步骤(2)中在所述加热设备中的生长时间为3～5天、优选4天；作为优选，步骤(2)中所述加热设备为管式炉，其包括双温区，高温端温度为900-1100℃、优选950℃，低温端温度800-900℃、优选880℃，将步骤(1)中所述混合物放在热端生长；作为进一步优选，步骤(2)中所述生长步骤中包括将加热设备升温10小时，升温过程中升温速率为每小时90-100℃且高温端与低温端两端温差为65-75℃、温...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨珏晗，魏钟鸣，沈国震，邓惠雄，娄正，文宏玉，
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