一种超宽禁带二维半导体GaPS4的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种超宽禁带二维半导体GaPS4的制备方法，将镓源，磷源和硫源混合后，采用“预生长再重结晶法”得到透明的GaPS4单晶材料。所述“预生长再重结晶法”为先通过热端高温反应，冷端回流硫磷液体生成GaPS4前驱体，再通过冷热端交换的化学气相传输法提纯得到结晶质量高的GaPS4单晶材料；所述超宽禁带二维半导体GaPS4由所述GaPS4单晶材料剥离得到。本发明专利技术提供的制备方法反应条件温和，操作简单方便，成本低。成本低。成本低。

【技术实现步骤摘要】
一种超宽禁带二维半导体GaPS4的制备方法


[0001]本专利技术涉及宽禁带半导体材料领域，具体涉及一种超宽禁带二维半导体GaPS4的制备方法。

技术介绍

[0002]与第一代和第二代半导体材料相比，宽禁带半导体材料具有宽频带隙、高击穿电场、高导热性、高电子饱和率和更高的抗辐射性能。因此，更适合制作高温、高频、抗辐射、大功率器件。目前，已经广泛研究的宽禁带半导体有SiC、金刚石、ZnO和GaN，它们都属于三维材料。因此，其表面和界面的悬键将可能成为俘获态或散射中心，阻碍了载流子在通道中的有效传输，导致器件的性能低。
[0003]与现有三维材料相比，二维层状半导体的独特结构使之成为下一代纳米器件中的关键元件，例如，原子级光滑且无悬键的表面可抑制界面的载流子散射，促使高性能稳定器件容易制造；层间的弱范德华相互作用和层内强共价键适用于高度柔性和透明的器件；亚纳米厚度将产生了各种各样的量子效应，有利于量子技术的进步。随着对二维半导体研究的不断深入，人们开始探索新的二维层状材料。目前已被大量研究的无机层状化合物集中在窄带隙半导体(带隙Eg<2eV)，如MoS2、WSe2和黑磷。然而，宽带隙半导体(Eg>2eV)，特别是超宽禁带半导体(Eg>3.4eV)，在电子、光电子和电力工业中都非常重要。对于成像和照明等与可见光相关的应用，宽带隙半导体也是必不可少的。另外，从工业的角度来看，为了推动纳米器件的下一次革命，宽禁带二维半导体的发展与窄禁带二维半导体具有同等的重要性。
[0004]然而，超宽禁带二维半导体主要有h
‑
BN和云母，它们的超宽禁带、介电特性和原子平面特性，通常用作高迁移率2D器件的衬底。因此，进一步开发具有超宽能隙的二维宽禁带半导体，丰富二维宽禁带半导体材料库，具有重要意义。

技术实现思路

[0005]因此，本专利技术提供一种超宽禁带二维半导体GaPS4的制备方法，具体包括以下步骤：
[0006]S10：将镓源、磷源和硫源混合均匀，得到混合物；
[0007]S20：将所述混合物真空封入容器内，得到含混合物的密闭容器；所述含混合物的密闭容器设有第一端和与所述第一端对应的第二端；
[0008]S30：将所述含混合物的密闭容器倾斜放置在加热设备中，使所述第一端高于所述第二端；所述加热设备设有第一温区和第二温区，所述第一端位于所述第一温区，所述第二端位于所述第二温区；
[0009]S40：对所述含混合物的密闭容器采用预生长再重结晶的方法，加热生长得到GaPS4单晶材料。
[0010]进一步地，所述镓源为金属镓颗粒、金属镓条、液体金属镓中的任意一种；所述磷
源为红磷、紫磷、白磷、黑磷、蓝磷中的任意一种；所述硫源为升华硫单质。作为优选，所述的镓源为液体金属镓，所述磷源为红磷。
[0011]进一步地，所述镓源、磷源、硫源的摩尔比为1:(0.95
‑
1.05):(4
‑
4.1)。作为优选，所述摩尔比为1：1：4.01。
[0012]进一步地，步骤S20中所述容器为石英管或密闭坩埚；所述真空的气压为10
‑5‑
10
‑2Pa。作为优选，所述容器为石英管，所述真空度为10
‑3Pa。
[0013]进一步地，步骤S30中所述加热容器可以是双温区管式炉；所述倾斜的角度为10
‑
60
°
，优选30
°
。
[0014]进一步地，步骤S40中所述预生长再重结晶的方法，包括以下步骤：
[0015]将所述第一温区升温至600
‑
900℃，将所述第二温区升温至500
‑
800℃，使所述第一温区和所述第二温区的温度梯度为40
‑
100℃，保温24
‑
48h；
[0016]然后，采用冷热交换的化学气相传输法提纯得到所述GaPS4单晶材料。
[0017]进一步地，所述冷热交换的化学气相传输法包括以下步骤：
[0018]将所述第一温区降温至600
‑
650℃，所述第二温区降温至20
‑
100℃，使所述第一温区和所述第二温区的温度梯度为500
‑
630℃，保温24
‑
48h；
[0019]然后，将所述第一温区降温至20
‑
100℃，所述第二温区的温度升温至600
‑
650℃，使所述第一温区和所述第二温区的温度梯度为500
‑
630℃，保温24
‑
48h；得到所述GaPS4单晶材料。作为优选，反应结束后将装有GaPS4单晶的容器冷却1
‑
3天后再打开。
[0020]进一步地，所述升温的速度为15
‑
25℃/h，所述降温的速度为20
‑
30℃/h。
[0021]本专利技术提供一种超宽禁带二维半导体GaPS4纳米材料，由所述GaPS4单晶进行剥离后得到，所述GaPS4纳米材料的能隙为3.94
‑
4.5eV。作为优选，所述的剥离方法为机械剥离。
[0022]本专利技术还提供一种紫外光传感器，由所述GaPS4单晶或所述GaPS4纳米材料制备得到，还包括源电极和漏电极；所述源电极和漏电极的材质为Ni/Au。所述紫外光传感器探测范围包括深紫外至极紫外波段；作为优选，所述紫外光传感器的源电极和漏电极Ni层厚度为5nm，Au层厚度为45nm。
[0023]综上所述，本申请上述各个实施例可以具有如下一个或多个优点或有益效果：
[0024]1、本专利技术的新型超宽禁带GaPS4材料属于空间群为P21/c的单斜晶系范德华层状结构，其在室温下稳定，单层带隙为4.5eV左右。
[0025]2、本专利技术将二维GaPS4单晶材料进行机械剥离形成纳米片，晶体结晶质量高，光电探测器性能优异，开关比高，响应时间快，可作为深紫外光传感器的潜在应用材料。
[0026]3、本专利技术投入小、方法简单、成本低、无环境污染、产量高，能够大规模可重复地生产，具有显著的市场应用价值。
附图说明
[0027]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0028]图1为本专利技术实施例1制备得到的GaPS4单晶的照片。
[0029]图2为本专利技术实施例2制备得到的不同层厚GaPS4的光学显微照片。
[0030]图3为本专利技术实施例2制备得到的不同层厚GaPS4的拉曼光谱图。
[0031]图4为本专利技术实施例2制备得到的基于层状GaPS4的紫外光传感器的性能。
具体实施方式<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超宽禁带二维半导体GaPS4单晶材料的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：S10：将镓源、磷源和硫源混合均匀，得到混合物；S20：将所述混合物真空封入容器内，得到含混合物的密闭容器；所述含混合物的密闭容器设有第一端和与所述第一端对应的第二端；S30：将所述含混合物的密闭容器倾斜放置在加热设备中，使所述第一端高于所述第二端；所述加热设备设有第一温区和第二温区，所述第一端位于所述第一温区，所述第二端位于所述第二温区；S40：对所述含混合物的密闭容器采用预生长再重结晶的方法，加热生长得到GaPS4单晶材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述镓源为金属镓颗粒、金属镓条、液体金属镓中的任意一种；所述磷源为红磷、紫磷、白磷、黑磷、蓝磷中的任意一种；所述硫源为升华硫单质。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述镓源、磷源、硫源的摩尔比为1:(0.95
‑
1.05):(4
‑
4.1)。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S20中所述容器为石英管或密闭坩埚；所述真空的气压为10
‑5‑
10
‑2Pa。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述倾斜的角度为10
‑
60
°
。6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S40中所述预生长再重结晶的方法，包括以下步骤：将所述第一温区升温至600
‑
900℃，将所述第二温区升温至500
‑
800...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫勇，夏从新，杨珏晗，魏钟鸣，
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：