一种二维四元原子层单晶的制备及其在光电子器件中的应用制造技术

本发明专利技术属于二维材料技术领域，具体涉及一种二维四元原子层单晶的制备及其在光电子器件中的应用，本发明专利技术通过对Cu、Bi、P、Se四种元素进行真空煅烧成功制备出一种新型四元二维材料CuBiP2Se6，制备方法简单，制备周期短，扩展了二维材料家族；同时，本发明专利技术成功制备出一种基于二维CuBiP2Se6材料的光电子器件，该器件拥有优秀的光电性能。此外，本发明专利技术的CuBiP2Se6材料属于少见的本征p型二维半导体，有望应用于未来的可见近红外光电子器件。于未来的可见近红外光电子器件。于未来的可见近红外光电子器件。

【技术实现步骤摘要】
一种二维四元原子层单晶的制备及其在光电子器件中的应用


[0001]本专利技术属于二维材料
，具体涉及一种二维四元原子层单晶的制备及其在光电子器件中的应用。

技术介绍

[0002]自从石墨烯被发现以来，二维材料引起了人们的高度关注。二维材料具有单原子层的厚度，可以用来研究低维受限体系中的基础科学问题，也是信息、能源、生物医学等应用领域的重要研究对象。尤其是过渡族金属硫属化合物，作为具有优异性质的半导体材料，更是成为构筑下一代更轻、更薄、更快、更灵敏的电子学与光电子学器件的理想材料。
[0003]p型二维半导体在许多电子和光电子器件中有着非常重要的应用，如互补逻辑电路、光电晶体管和发光二极管(LED)等。然而二维半导体的p型导通受到金属/二维半导体界面费米能级钉扎的阻碍，导致空穴注入的肖特基势垒高度较大；同时由于p型二维半导体的种类相对较少，从而限制了其在实际中的广泛应用。虽然有很多n型二维半导体材料通过接触工程、化学掺杂和静电掺杂等可以转化为p型半导体，但是接触工程和静电掺杂通常需要复杂的制造工艺或器件结构，且化学元素掺杂会在晶体结构中产生缺陷。因此，迫切需要开发新型的本征p型二维半导体的制备工艺。
[0004]在当前的p型二维材料中，研究得较普遍是二元晶体，但本征p型二维光电材料种类少。有研究表明，通过添加其他元素，可以形成三元或四元二维材料，从而使材料的性能和结构发生很大的变化，并可大大拓展其应用领域。但目前具有明确晶体结构的四元二维材料研究得很少，种类相对也不多。因为与二元晶体相比，四元晶体的制备相对更困难，造成制备困难的主要原因包括难以均匀共熔、难以确定共熔点，且在空气中不稳定，易被氧化等。因此，有必要从四元晶体前驱体入手制备新型的本征p型二维光电材料，从而拓展二维材料在光电领域中的应用前景。

技术实现思路

[0005]为了克服上述现有技术的不足，本专利技术提出了一种二维四元原子层单晶的制备方法，通过该方法制备得到一种本征p型二维半导体—CuBiP2Se6晶体，该晶体用于制备光电子探测器件，具有优秀的光电探测性能。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：
[0007]本专利技术提供一种二维四元原子层单晶(即CuBiP2Se6原子层单晶)的制备方法，具体为：将Cu、Bi、P、Se四种元素置于真空环境下，由20
‑
30℃的室温开始在12h后缓慢升温至650
‑
750℃并在此温度下保温10
‑
14h，反应结束后降温至45
‑
55℃即可制备得到。
[0008]优选地，所述Cu、Bi、P、Se的摩尔比为1：1：2：6。
[0009]优选地，所述真空环境的真空度小于10
‑3Pa。进一步地，所述真空环境的真空度为10
‑3Pa。
[0010]优选地，升温降温具体为：升温降温具体为：由25℃的室温开始在12h后缓慢升温
至700℃并在此温度下保温12h，反应结束后降温至50℃。
[0011]优选地，升温的速率为50
‑
60℃/h，降温的速率为14
‑
16℃/h。进一步地，升温的速率为56℃/h，降温的速率为15℃/h。
[0012]本专利技术还提供了采用上述的制备方法制备得到的二维四元原子层单晶(即CuBiP2Se6原子层单晶)。
[0013]本专利技术还提供了上述的CuBiP2Se6原子层单晶在光电子器件中的应用。
[0014]本专利技术还提供了上述的CuBiP2Se6原子层单晶在制备光电子探测器件中的应用。
[0015]本专利技术还提供了一种基于二维四元原子晶体材料(CuBiP2Se6原子层单晶)的光电子器件的制备方法，具体为：先采用机械剥离法将上述的二维四元原子晶体制备成附着在Si/SiO2基底上的纳米片，再利用无掩膜光刻法将纳米片制备成基于二维四元原子晶体材料的光电子器件。
[0016]优选地，机械剥离法制备纳米片的方法为：挑取少量表面平整的CuBiP2Se6晶体在胶带上，反复用胶带撕拉剥离,用聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为中转平台，将纳米片转移到Si/SiO2基底上。
[0017]本专利技术开发出了一种新型的二维四元原子层单晶材料—CuBiP2Se6原子层单晶，发展出了一套CuBiP2Se6原子层单晶制备的方法，并基于此材料开发出了第一个基于CuBiP2Se6原子层单晶的光电子探测器件，并发展出了一套基于CuBiP2Se6原子层单晶器件的组装方法。
[0018]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0019]本专利技术提供了一种二维四元原子层单晶的制备方法，通过对Cu、Bi、P、Se四种元素进行真空煅烧成功制备出一种新型四元二维材料CuBiP2Se6，制备方法简单，制备周期短，扩展了二维材料家族；同时，本专利技术成功制备出一种基于二维CuBiP2Se6材料的光电子器件，该器件拥有优秀的光电性能，包括高的光电响应度(在405nm激光下，响应度达到1000A/W)、高的探测率(在405nm激光下，探测率达到5.8
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108Jones)等，此外，本专利技术的CuBiP2Se6材料属于少见的本征p型二维半导体，有望应用于未来的可见近红外光电子器件。
附图说明
[0020]图1为制备CuBiP2Se6单晶的流程图；
[0021]图2为CuBiP2Se6单晶的结构图(上半部分为单晶制备图；下半部分为原子结构图)；
[0022]图3为CuBiP2Se6单晶的XRD图谱(上半部分为CuBiP2Se6单晶，下半部分为标准图样)；
[0023]图4中的左图上部分为CuBiP2Se6单晶的EDS能谱分析，左图下部分为SEM图，右图为Cu、Bi、P、Se的元素分布图；
[0024]图5为基于CuBiP2Se6单晶的光电探测器件示意图；
[0025]图6为CuBiP2Se6单晶的AFM测试结果；
[0026]图7为基于CuBiP2Se6纳米片的光电探测器在1.0V偏压下的转移曲线(a)以及转移曲线的对数数据图(b)；
[0027]图7中，横坐标为器件的栅压值(左边为原始数值，右边为对数数值)，纵坐标为器件的源漏电流。
[0028]图8为基于CuBiP2Se6纳米片的光电子器件的(a)一段响应周期以及(b)光电响应时间(635nm，V
ds
＝1V)；
[0029]图9为在三种不同波长(405nm、635nm和808nm)的激光下器件的光电性能。(a为不同功率密度下的光电响应度；b为不同功率密度下的光增益；c为不同功率密度下的探测率；d为不同功率密度下的外量子效率。
具体实施方式
[0030]下面对本专利技术的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本专利技术，但并不构成对本专利技术的限定。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种二维四元原子层单晶的制备方法，其特征在于，将Cu、Bi、P、Se四种元素置于真空环境下，由20
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30℃的室温开始在12h后缓慢升温至650
‑
750℃并在此温度下保温10
‑
14h，反应结束后降温至45
‑
55℃即可制备得到。2.根据权利要求1所述的一种二维四元原子层单晶的制备方法，其特征在于，所述Cu、Bi、P、Se的摩尔比为1：1：2：6。3.根据权利要求1所述的一种二维四元原子层单晶的制备方法，其特征在于，所述真空环境的真空度小于10
‑
3Pa。4.根据权利要求1所述的一种二维四元原子层单晶的制备方法，其特征在于，升温降温具体为：由25℃的室温开始在12h后缓慢升温...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵伟娜，王金龙，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：