一类新型半导体材料及其合成方法技术

本发明专利技术属于新型半导体材料领域，公开了一类新型半导体材料及其合成方法，该类金刚石半导体材料具体为Cu3‑

【技术实现步骤摘要】
一类新型半导体材料及其合成方法


[0001]本专利技术属于新型半导体材料领域，更具体地，涉及一类新型半导体材料及其合成方法。

技术介绍

[0002]众多类金刚石化合物具有种类多样的结构，广泛用于制作半导体器件，并且具有环境友好以及丰度高等优点，在光学材料，红外探测材料，热电材料，太阳能等领域应用广泛，因此，对类金刚石化合物的研究工作具有十分重要的意义。但是，随着类金刚石化合物在各个领域的快速发展，许多类金刚石化合物无法满足更高性能的需求(例如，高度可调的带隙，兼具高的电导率和低的热导率等)。多元类金刚石化合物成分更加复杂，可满足不同应用场景，因此，对于新型多元类金刚石化合物的探索十分必要。然而，目前已知多元类金刚石化合物数目较少，因此，寻求多组元，成分稳定的新型多元类金刚石化合物具有十分重要的研究意义。
[0003]寻找多元类金刚石化合物中，一个重要的方法就是形成固溶体进行合金化。晶体结构相同是组元之间形成无限固溶体的必要条件，而对于非相同结构的组元，相互的溶解度通常是有限的。因此，对于不同结构的两种类金刚石化合物组元来说，形成溶解度较大的固溶体或者形成稳定的单相是非常具有挑战性的。
[0004]在类金刚石化合物家族中，有两种晶体结构不同化合物，分别为I
‑
III
‑
VI2型和I2‑
IV
‑
VI3型，但是，从键合方式来看，两种化合物具有比较相似的原子排列方式。在I
‑
III
‑
VI2(例如CuInSe2，CuInTe2，AgGaSe2，CuInS2)化合物家族中，阳离子倾向于占据阴离子组成的四面体间隙，配位数为4，形成四面体[I
‑
VI4]和四面体[III
‑
VI4]，例如[CuSe4]和[InSe4]，[CuTe4]和[InTe4]，[AgSe4]和[GaSe4][CuS4]和[InS4]，四面体结构再以共顶点的方式排列，四面体比例为[I
‑
VI4]:[III
‑
VI4]＝1:1，形成黄铜矿结构化合物，晶体结构为对称性高。类似的，在I2‑
IV
‑
VI3(例如Cu2GeSe3，Cu2SnSe3，Ag2SnSe3)化合物家族中，基本单元为四面体[II
‑
VI4]和四面体[IV
‑
VI4]，例如[CuSe4]和[GeSe4]，[CuSe4]和[SnSe4]，[AgSe4]和[SnSe4]，四面体结构再以共顶点的方式排列，四面体比例为[II
‑
VI4]:[IV
‑
VI4]＝2:1，形成单斜结构化合物，晶体结构为Cc(9)，对称性低。将以上两种不同晶体结构的类金刚石化合物衍生出新的稳定单相，是非常具有挑战性的工作。
[0005]另一方面，针对以上两种三元类金刚石化合物，常见的合成方法是高温熔炼结合长时间退火和溶剂热合成。高温熔炼结合长时间退火主要的缺点在于比例难以精确控制，合成周期长。Se元素高温下极易挥发，沸点为684.9℃，因此，在高温熔炼之后一般都伴随着长时间退火以实现比例尽可能准确，否则Se元素比例很难精确控制。溶剂热合成方法的主要缺点在于合成成本高，难以大规模生产。某些可溶性的阴阳离子盐的价格昂贵，难以获得，并且合成产物容易受到反应条件包括压力，温度，时间以及酸碱度的影响。另外，通过传统的高温熔炼和溶剂热合成法很难得到正方结构的纯相。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术的目的在于提供一类新型半导体材料及其合成方法，其中通过对材料的组成、结构进行改进，将Cu2SnSe3与CuInSe2(或AgInSe2)这些不同的类金刚石化合物的四面体基元进行重新排列，得到多元的Cu3‑
x
Ag
x
InSnSe5类金刚石半导体材料，具有四方结构并且，本专利技术制备方法成本低廉，可大规模推广应用。
[0007]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种类金刚石半导体材料，其特征在于，该半导体材料具体为Cu3‑
x
Ag
x
InSnSe5单相半导体材料，其中，0≤x≤1。
[0008]作为本专利技术的进一步优选，所述Cu3‑
x
Ag
x
InSnSe5半导体材料的晶格结构为正方结构，空间群为
[0009]作为本专利技术的进一步优选，所述半导体材料具体为Cu3InSnSe5半导体材料，晶胞参数为a＝0.572
±
0.0008nm,b＝0.572
±
0.0008nm,c＝1.147
±
0.0004nm，α＝β＝γ＝90
°
。
[0010]作为本专利技术的进一步优选，所述半导体材料具体为Cu2AgInSnSe5半导体材料，晶胞参数为a＝0.581
±
0.0005nm,b＝0.581
±
0.0005nm,c＝1.161
±
0.0006nm，α＝β＝γ＝90
°
。
[0011]作为本专利技术的进一步优选，所述半导体材料具体为Cu3InSnSe5半导体材料或Cu2AgInSnSe5半导体材料，其中，Cu3InSnSe5半导体材料的带隙为1.07eV，Cu2AgInSnSe5半导体材料的带隙为0.95eV。
[0012]按照本专利技术的另一方面，本专利技术提供了上述类金刚石半导体材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0013](1)准备原材料粉末：在保护性气氛环境下按化学式Cu3‑
x
Ag
x
InSnSe5的名义化学剂量比，称取各元素所对应的单质材料粉末；
[0014](2)粉末混合：将步骤(1)得到的各种粉末充分混合，并在手套箱中装入高能球磨罐后密封；其中，所述手套箱中O2的浓度不高于0.2vol.％，球料比满足质量比15:1～30:1；
[0015](3)机械合金化：将步骤(2)得到的球磨罐安装在高能球磨机上，以不低于580r/min的转速进行球磨，球磨时间为180
‑
600分钟；收集球磨后的粉末，即可得到Cu3‑
x
Ag
x
InSnSe5材料粉末。
[0016]作为本专利技术的进一步优选，所述方法还包括步骤：
[0017](4)放电等离子体烧结：将步骤(3)得到的Cu3‑
x
Ag
x
InSnSe5材料粉末装填到石墨模具中，然后进行放电等离子体烧结，即可得到Cu3‑
x
Ag
x
InSnSe5材料块体；其中，所述放电等离子体烧结满足：炉腔真空度小于8Pa，轴向压力为50
‑
70MPa，烧结温度为480
‑
500℃，烧结时间不高于20min；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种类金刚石半导体材料，其特征在于，该半导体材料具体为Cu3‑
x
Ag
x
InSnSe5单相半导体材料，其中，0≤x≤1。2.如权利要求1所述类金刚石半导体材料，其特征在于，所述Cu3‑
x
Ag
x
InSnSe5半导体材料的晶格结构为正方结构，空间群为3.如权利要求2所述类金刚石半导体材料，其特征在于，所述半导体材料具体为Cu3InSnSe5半导体材料，晶胞参数为a＝0.572
±
0.0008nm,b＝0.572
±
0.0008nm,c＝1.147
±
0.0004nm，α＝β＝γ＝90
°
。4.如权利要求2所述类金刚石半导体材料，其特征在于，所述半导体材料具体为Cu2AgInSnSe5半导体材料，晶胞参数为a＝0.581
±
0.0005nm,b＝0.581
±
0.0005nm,c＝1.161
±
0.0006nm，α＝β＝γ＝90
°
。5.如权利要求1所述类金刚石半导体材料，其特征在于，所述半导体材料具体为Cu3InSnSe5半导体材料或Cu2AgInSnSe5半导体材料，其中，Cu3InSnSe5半导体材料的带隙为1.07eV，Cu2AgInSnSe5半导体材料的带隙为0.95eV。6.如权利要求1－5任意一项所述类金刚石半导体材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)准备原材料粉末：在保护性气氛环境下按化学式Cu3‑
x

【专利技术属性】
技术研发人员：杨君友，罗裕波，李旺，许天，马征，陶阳，钱勇鑫，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：