一种Si(P)/H/WS2(RE)范德华异质结及其制备方法技术

本发明专利技术属于凝聚态物理、材料研究领域，特别涉及一种Si(P)/H/WS2(RE)范德华异质结及其制备方法，制备方法包括：将WS2材料的其中一个W原子替换为稀土原子，形成WS2(RE)层；选择对晶体硅进行切面后掺杂非金属原子磷，采用H原子饱和掉硅在切面后表面未配对的悬挂键，采用一个P原子替换一个Si原子，替换的Si原子选择与稀土原子间距最短且未与H原子形成共价键的原子；以Si(P)

【技术实现步骤摘要】
一种Si(P)/H/WS2(RE)范德华异质结及其制备方法


[0001]本专利技术属于凝聚态物理、材料研究领域，特别涉及一种Si(P)/H/WS2(RE)范德华异质结及其制备方法。

技术介绍

[0002]在采用CVD方法生长WS2材料必定会带来缺陷，而缺陷的存在势必影响材料性能。目前，对于单层WS2提高其性能的方法一般有掺杂、施加压力或电场应变等，而掺杂的元素也一般为非金属元素和过渡族金属元素。某些采用吸附掺杂的方式会导致结构不稳定，从而也会影响材料性能的稳定性。相较而言，替位掺杂的方式是比较稳定的。然而，具有丰富的4f轨道电子的稀土原子掺杂WS2或者更换生长衬底材料制作异质结提高光电性能的设计很少被考虑到。
[0003]对于WS2二维材料异质结光电探测器的设计主要的研究都集中在通过WS2和其他二维材料所构建的异质结，然而，传统的方法制备范德华异质结一般都通过二维材料的微区定点转移，或者通过二次生长。微区定点转移方案需要使用凝胶薄膜，难以彻底清除；且转移过程很容易造成二维材料损伤，两种材料的接触界面也容易受到二维材料翘楚和褶皱影响，导致接触不良。而采用二次生长制备范德华异质结的概率非常低，难度很大。

技术实现思路

[0004]针对WS2二维材料材料存在载流子寿命短、可见光
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近红外范围吸收能力弱、无法克服光生电子和空穴复合率高等问题，本专利技术提出一种Si(P)/H/WS2(RE)范德华异质结及其制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
[0005]在WS2材料中掺杂稀土原子RE，即将WS2材料的其中一个W原子替换为稀土原子RE，形成WS2(RE)层，该层结构表现为P型半导体性质；
[0006]选择对晶体硅进行切面后掺杂非金属原子磷，采用H原子饱和掉硅在切面后表面未配对的悬挂键，采用一个P原子替换一个Si原子，替换的Si原子选择与RE原子间距最短且未与H原子形成共价键的原子，该结构属于n型半导体；
[0007]以Si(P)
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H层作为衬底，在测试层间距后将WS2(RE)层与Si(P)
‑
H叠加形成Si(P)/H/WS2(RE)异质结。
[0008]进一步的，稀土原子RE选择原子序数小于且接近钨原子的原子序数的稀土原子。
[0009]进一步的，稀土原子RE为铒、铥或者镥。
[0010]进一步的，在WS2材料中掺杂稀土原子RE时，掺杂浓度为6.00％～6.50％；；优选的，最优的掺杂浓度为6.25％。
[0011]进一步的，晶体硅进行切面后掺杂非金属原子磷时，掺杂浓度为2.05％～2.10％；优选的，最优的掺杂浓度为2.08％。
[0012]进一步的，形成异质结的过程中，在具有P掺杂的Si衬底上平铺钨源、稀土原子源以及促进剂，在真空和900℃的条件下生长反应形成异质结
[0013]本专利技术还提出一种Si(P)/H/WS2(RE)范德华异质结，该异质结根据一种Si(P)/H/WS2(RE)范德华异质结的制备方法制备得到。
[0014]本专利技术还提出一种光伏型光电探测器，该探测器基于一种Si(P)/H/WS2(RE)范德华异质结的材料制备得到。
[0015]本专利技术的WS2(RE)/H/Si(P)范德华异质结广谱光探测器，异质结的能带带隙宽度相比单层WS2的能带带隙更窄，且会形成内置电场减小电子和空穴复合，异质结的吸收光谱强于单层WS2的吸收光谱；共掺杂增加了异质结能带的带隙，减小了内置电场的强度，提高了异质结的吸收光谱，且会在近红外或中红外波段形成独特的吸收峰。我们通过模拟电场对材料施加应变，找到了带隙随电场强度的变化规律，并找到最大的电场强度使异质结由半导体性质转变为金属性。
附图说明
[0016]图1为本专利技术中单层WS2和SiH的原子结构图和能带结构图，其中图(a)为本专利技术中单层WS2原子结构，图(b)为本专利技术单层WS2能带结构，图(c)为本专利技术单层SiH的原子结构，图(d)为本专利技术单层SiH能带结构；
[0017]图2为本专利技术异质结的界面间距测试图，其中图(a)为Si/H/WS2异质结原子结构图，图(b)为本专利技术SiH和WS2层的间距测试；
[0018]图3为本专利技术本征异质结的能带结构和态密度图，其中图(a)为本专利技术本征异质结的能带结构，图(b)为本专利技术本征异质结的总态密度和分态密度，图(c)为本专利技术本征异质结的原子掺杂的结构图；
[0019]图4为本专利技术异质结的静电势和差分电荷密度，其中图(a)为本专利技术SiH的静电势，图(b)为本专利技术WS2的静电势，图(c)为本专利技术Si/H/WS2异质结的静电势，图(d)为本专利技术差分电荷密度；
[0020]图5为本专利技术稀土原子RE和P原子共同掺杂Si/H/WS2异质结的能带结构图和平均静电势曲线，其中图(a)为本专利技术Er、P共掺杂的能带图，图(b)为本专利技术Tm、P共掺杂的能带图，图(c)为本专利技术Lu、P共掺杂的能带图，图(d)为本专利技术Er、P共掺杂的静电势，图(e)为本专利技术Tm、P共掺杂的静电势，图(f)为本专利技术Lu、P共掺杂的静电势；
[0021]图6为本专利技术稀土原子RE、P共掺杂Si/H/WS2异质结的态密度图，其中图(a)为本专利技术Er、P共掺杂的总态密度和分态密度图，图(b)为本专利技术Tm、P共掺杂的总态密度和分态密度图，图(c)为本专利技术Lu、P共掺杂的总态密度和分态密度图；
[0022]图7为本专利技术Lu、P共掺杂的异质结差分电荷；
[0023]图8为本专利技术稀土RE和P共掺杂Si/H/WS2异质结体系的光吸收系数；
[0024]图9为本专利技术Si/H/WS2异质结施加电压性能测试，其中图(a)为本专利技术Si/H/WS2异质结在电场下的能带结构，图(b)为本专利技术异质结的CBM和VBM随电场从到的变化曲线。
具体实施方式
[0025]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0026]本专利技术提出一种Si(P)/H/WS2(RE)范德华异质结及其制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
[0027]在WS2材料中掺杂稀土原子RE，即将WS2材料的其中一个W原子替换为稀土原子RE，形成WS2(RE)层，该层结构表现为P型半导体性质；
[0028]选择对晶体硅进行切面后掺杂非金属原子磷，采用H原子饱和掉硅在切面后表面未配对的悬挂键，采用一个P原子替换一个Si原子，替换的Si原子选择与RE原子间距最短且未与H原子形成共价键的原子，该结构属于n型半导体；
[0029]以Si(P)
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H层作为衬底，在测试层间距后将WS2(RE)层与Si(P)
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H叠加形成Si(P)/H/WS2(RE)异质结。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Si(P)/H/WS2(RE)范德华异质结的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：在WS2材料中掺杂稀土原子RE，即将WS2材料的其中一个W原子替换为稀土原子RE，形成WS2(RE)层，该层结构表现为P型半导体性质；选择对晶体硅进行切面后掺杂非金属原子磷，采用H原子饱和掉硅在切面后表面未配对的悬挂键，采用一个P原子替换一个Si原子，替换的Si原子选择与RE原子间距最短且未与H原子形成共价键的原子，该结构属于n型半导体；以Si(P)
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H层作为衬底，在测试层间距后将WS2(RE)层与Si(P)
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H叠加形成Si(P)/H/WS2(RE)异质结。2.根据权利要求1所述的一种Si(P)/H/WS2(RE)范德华异质结的制备方法，其特征在于，稀土原子RE选择原子序数小于且接近钨原子的原子序数的稀土原子。3.根据权利要求1或2所述的一种Si(P)/H/WS2(RE)范德华异质结的制备方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵杨，赵洪泉，石轩，王春香，
申请(专利权)人：中国科学院重庆绿色智能技术研究院，
类型：发明
国别省市：