一种二维半导体材料SnSe2单晶的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种二维半导体材料SnSe2单晶的制备方法：将Se粉和Sn粉混合均匀，装入石英管内，放入单质碘，将石英管内气压抽至≤0.1mbar，封管；将石英管放入双温区管式炉中，将装有原料的一端置于高温区且另一端置于低温区，双温区的温度均设置560

【技术实现步骤摘要】
一种二维半导体材料SnSe2单晶的制备方法


[0001]本专利技术属于二维材料领域，涉及一种二维半导体材料SnSe2单晶的制备方法，具体涉及一种制备大面积、高质量的二维本征SnSe2单晶的方法。

技术介绍

[0002]自2004年Geim和Novoselov首次报道用透明胶带剥离法成功制备石墨烯，人们一直在努力寻找二维材料，并形成了庞大的二维材料家族。石墨烯具有丰富而奇特的物理性质，其具备独特的载流子特性和优异的电学性能。石墨烯中的载流子是狄拉克
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费米子，具有超高的载流子迁移率。然而，完美的石墨烯是零带隙的半导体，阻碍了石墨烯在半导体器件方面的应用。新型二维材料——二维半导体过渡金属硫族化合物(TMDCs)，由于具有合适的带隙(1
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2eV)、适中的载流子迁移率、非常高的开关电流比，以及良好的空气稳定性和工艺兼容性，在逻辑集成方面表现出巨大潜力。同时，由于二维TMDCs只有几个原子厚度，在集成方面比传统三维材料更有优势。并且，二维TMDCs不存在悬挂键，结构和迁移率相对稳定，上述优点使它们成为有效的场效应管沟道材料，在下一代电子和光电子领域显示出潜在的应用前景。
[0003]SnSe2作为一种新型的二维半导体材料，具有与MoS2相似的结构。另外，SnSe2属于IVA
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VIA族，属于二维TMDCs的一种，同时SnSe2具有地球储备资源丰富、环境友好，成本低廉等特点，在纳米电子学和光电子领域具有明显的优势。现如今报道的制备SnSe2单晶方法，由于反应后存在不适当的前驱物或混合产物而使产物存在缺陷，从而无法得到大面积、高质量的二维本征SnSe2单晶，进一步限制了其在光电子器件领域中的发展。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于：基于化学气相输运法(CVT)，提供一种利于生长大面积、高质量的二维半导体材料SnSe2单晶的制备方法。
[0005]为解决上述问题，本专利技术所采取的技术方案如下：
[0006]一种二维半导体材料SnSe2单晶的制备方法，包括以下步骤：
[0007]步骤(1)、将Se粉和Sn粉混合均匀，装入石英管内，放入少许单质碘，将石英管内气压抽至≤0.1mbar，封管；
[0008]步骤(2)、将石英管放入双温区管式炉中，将装有原料的一端置于高温区且另一端置于低温区，设置炉温：双温区的温度均设置560
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600℃，恒温1天；再将低温区的温度降低至550℃，高温区的温度保持在560
‑
600℃，高温区和低温区的温度差保持10
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50℃，在该温差下保持5天
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7天；再将双温区降至室温，降温过程中保持高温区和低温区的温度差为10
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50℃，待低温区降至室温后，高温区和低温区不需再维持温度差；
[0009]步骤(3)、从双温区管式炉中取出石英管，得到片状SnSe2单晶。
[0010]步骤(1)中，所述的石英管的一端(即底部)密闭，另一端敞口，混合均匀的Se粉和Sn粉、单质碘装于石英管密闭端。封管时，石英管45
°
倾斜使密闭端的高度低于敞口端，防止
样品粉末倒吸。
[0011]混合均匀的Se粉和Sn粉装入石英管的操作为：使用纸质圆筒通道将混合均匀的Se粉和Sn粉装入石英管底部，以防止原料粘在石英管内壁；或通过超声清洗机将挂壁的粉末超声至石英管底部，一般需要超声5
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10min。
[0012]所述的Se粉为为单质硒粉，所述的Sn粉为单质锡粉。Se粉和Sn粉按照摩尔比2:1混合均匀。
[0013]具体的，采用研磨的方式将Se粉和Sn粉混合均匀，研磨后混合样品颜色呈灰黑色；研磨时间在10
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15min左右，研磨时间不宜过久，防止样品长时间暴露在空气中氧化。
[0014]所述的单质碘为碘球(即单质碘颗粒)。所述的碘球的重量与Se粉和Sn粉的总重量之比为(0.02
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0.05):1。碘的用量会影响生长速率，如果过多会导致输运速度过快，样品会在生长区(低温区)生长成体积较小的SnSe2晶粒而无法得到片状SnSe2单晶；如果碘含量低于本专利技术用量要求，则会导致传输速度过慢，样品无法在生长区生长，或者得到的SnSe2单晶很少；如果不使用单质碘，则反应无法进行。
[0015]优选的，封装前，先将石英管预抽真空，再充入氩气洗气，直至排净空气，将石英管内气压抽至≤0.1mbar。封管后，石英管内保持抽真空状态，并隔绝了氧气，避免反应过程中，生成氧化物杂质。
[0016]进一步优选的，采用分子泵将石英管内气压抽至真空。
[0017]步骤(2)、优选的，生长阶段、降温阶段高温区和低温区的温度差均维持在10℃。
[0018]优选的，设置炉温：双温区的温度均为560℃，恒温放置1天；再将低温区的温度降低到550℃，高温区的温度保持在560℃，高温区和低温区的温度差保持10℃，在该温差下保持5天；再在保持高温区和低温区的温度差为10℃的状态下，冷却至室温。
[0019]进一步优选的，设置炉温：双温区均以30℃/h的速度加热至温度560℃，恒温放置1天；低温区以2℃/h的速率降低到550℃，高温区保持在560℃，高温区和低温区的温度差保持10
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50℃，在该温差下保持5天；再在保持高温区和低温区的温度差为10℃的状态下，将系统以10℃/h的速度冷却至室温，缓慢降温，使反应充分进行，保证单晶生长的质量。
[0020]本专利技术的有益效果：
[0021]本专利技术采用化学气相输运法(CVT)，将装有原料粉末并且封装后的石英管放入双温区管式炉中，在高温区和低温区的温差梯度作用下，以少量碘作为输运剂，将源区的Sn粉和Se粉传输至低温区，在低温区生长，由粉末单质原料一步制成二维SnSe2单晶，设备简单，操作容易，实验参数易调控，且实验重复性好，可以一步直接生长至单晶，有效的提高了制备效率。
[0022]本专利技术得到的二维SnSe2单晶具有半导体性质，并且呈较薄的片状，单晶厚度接近纸张厚度，约为0.05mm；样品表征后发现单晶组分均匀，表面平整，面积足够大，易于机械剥离转移，也便于后续的表征；同时，也有利于对材料进行光刻等微加工工艺，为制备光电子器件提供了更简单易行的制备工艺。
附图说明
[0023]图1为化学气相输运法(CVT)生长SnSe2单晶装置示意图；
[0024]图2为实施例1制得的SnSe2单晶块体的样品图片(网格比例尺为5mm)。
[0025]图3为实施例1制得的SnSe2单晶块体的X射线衍射(XRD)图谱；
[0026]图4为实施例1制得的SnSe2单晶块体扫描电镜的Mapping模式图谱，从左到右分别是：样品形貌图，Se元素的分布情况和Sn元素的分布情况。
[0027]图5为实施例2制得的SnSe2单晶块体的样品图片(网格比例尺为5mm)。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种二维半导体材料SnSe2单晶的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤(1)、将Se粉和Sn粉混合均匀，装入石英管内，放入单质碘，将石英管内气压抽至≤0.1mbar，封管；步骤(2)、将石英管放入双温区管式炉中，将装有原料的一端置于高温区且另一端置于低温区，设置炉温：双温区的温度均设置560
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600℃，恒温1天；再将低温区的温度降低至550℃，高温区的温度保持在560
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600℃，高温区和低温区的温度差保持10
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50℃，在该温差下保持5天
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7天；降温过程中保持高温区和低温区的温度差为10
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50℃；步骤(3)、从双温区管式炉中取出石英管，得到片状SnSe2单晶。2.根据权利要求1所述的二维半导体材料SnSe2单晶的制备方法，其特征在于：所述的石英管的一端密闭，另一端敞口，混合均匀的Se粉和Sn粉、单质碘装于石英管密闭端。3.根据权利要求1所述的二维半导体材料SnSe2单晶的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，Se粉和Sn粉按照摩尔比2:1混合均匀。4.根据权利要求1所述的二维半导体材料SnSe2单晶的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述的碘球的重量与Se粉和Sn粉的总重量之比为(0.02
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【专利技术属性】
技术研发人员：胡小会，陈旭凡，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：