一种二维硅烯薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种固态硅源生长二维硅烯薄膜的方法，采用物理气相沉积技术将硅原子基团从固态硅源中释放在催化层上而形成硅烯薄膜；所述催化层的厚度为25nm～25mm，催化层温度控制在20℃～1600℃之间。本发明专利技术方法简单、易于实现。制备得到的硅烯薄膜是由三个、四个、五个、六个或七个硅原子为其重复单元并由共价键相连而成的二维层状薄膜，所包含的硅烯的层数为1～200层。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开一种固态硅源生长二维硅烯薄膜的方法，采用物理气相沉积技术将硅原子基团从固态硅源中释放在催化层上而形成硅烯薄膜；所述催化层的厚度为25nm～25mm，催化层温度控制在20℃～1600℃之间。本专利技术方法简单、易于实现。制备得到的硅烯薄膜是由三个、四个、五个、六个或七个硅原子为其重复单元并由共价键相连而成的二维层状薄膜，所包含的硅烯的层数为1～200层。【专利说明】
本专利技术涉及硅烯薄膜及其制备方法，特别地涉及一种采用固态硅源在催化层上生长硅烯薄膜的方法。
技术介绍
纳米材料包括零维、一维和二维材料，纳米材料具有与体材料不同的光电、化学、热等性能；相对于已有20多年研发历史的一维及零维纳米结构,真正对二维纳米材料的研发是近几年的事情，特别是2004年来对石墨烯的研究。二维纳米材料主要有由元素周期表中第四主族元素构成层状薄膜如石墨烯(由碳元素组成)、硅烯(由硅元素组成)和锗烯(由锗元素组成)、金属硫族化合物如MoS2, WS2和GaS等，以及氮化硼等层状材料。目前，研究较多的二维纳米材料是石墨烯薄膜，受对石墨烯研究及其独特性能的影响，其它的类石墨烯的二维薄膜也越来越受到研究者的关注。 二维纳米材料如石墨烯具有其它维(零维、一维和三维)纳米材料没有的特性如奇异量子霍尔效应等，由于其二维的特征，比起其它维纳米材料而言，更兼容于当代的半导体平面制备工艺。已有理论研究表明:除了具有与石墨烯类似的电子性能外，硅烯还具有石墨烯没有的拓扑绝缘特性，使得硅烯可以用于制备自旋电子器件，因此，硅烯具有广泛的应用前景。对于碳材料而言，碳纳米管是一维纳米材料，而石墨烯是二维纳米材料；对于硅材料来说，娃纳米线是一维纳米材料，而娃烯是二维纳米材料。已有的研究表明:碳纳米管与石墨烯都可以在有催化剂的条件下利用物理气相沉积(physical vapor deposition, PVD)方法制备，比如使用Fe,Ni等催化剂既可以合成碳纳米管,也可以合成石墨烯。尽管碳纳米管和石墨烯两者的合成方法基本一样，但研究人员能够可控地制备一维的碳纳米管或者二维的石墨烯，其维度可控(一维或二维)的主要因素之一是催化剂的结构；合成一维的碳纳米管时的金属催化剂是金属纳米颗粒(尺寸基本上都小于 500nm) 或者非常薄的金属薄膜(一般厚度小于10nm，这样厚度的薄膜在一定的温度下容易破裂而形成纳米颗粒),而合成二维的石墨烯薄膜时的金属催化剂则是厚度大于20nm的金属薄膜 o对于合成一维的硅纳米线而言，最常用的方法之一是物理气相沉积方法,比如米用分子束外延技术,采用激光烧蚀技术、脉冲激光沉积技术以及釆用热蒸镀或电子束沉积技术等以金属纳米粒子作为催化剂生长娃纳米线。可控制备硅纳米线的核心是金属纳米粒子催化剂的颗粒尺寸。尽管有20多年的研究，但一维碳纳米管、娃纳米线的生长机理依旧不是很清楚，报道的机理有气-液-固(vapor-liquid-solid)生长机理、气-固-固(vapor-solid-solid)机理等;同样，石墨烯合成机理也还不很清楚。尽管一维纳米材料和二维纳米材料的生长机理还有待深入研究，但是石墨烯薄膜的合成方法大多是借鉴于已有的合成碳纳米管的方法经验(其实，石墨烯在2004年之前就偶尔有报道,但由于缺乏表征手段以及没有详细的理论研究报道作为前提，在2004年之前研究者没有明确的兴趣以及没有注意到实验中实际存在的石墨烯的存在。)；因此，借鉴已有的一维硅纳米线的生长技术方法可以合成二维的硅烯薄膜。确证娃烯的存在的时间是2Ol2 年。在物理意义上，硅烯是一种由硅原子构成的类石墨烯的蜂窝状二维材料，是娃原子组成的单层二维材料 0理论研究表明:热力学稳定的硅烯是一种的蜂窝状结构，硅烯不但具有与石墨烯类似的电子特性，而且由于娃烯具有不同于平面的石墨烯的buckled的结构，硅烯还具有石墨烯没有的量子自旋霍尔效应(quantum spin Hall effect)，即拓扑绝缘体特性以及其它的独特特性;另外，由于目前的硅基半导体工业，硅烯被认为比石墨烯更易于集成于当代的半导体器件。受石墨烯的影响，尽管对硅烯有较多理论研究，但由于缺少硅烯的制备技术以及表征技术，有目的地对硅烯的实验研究还非常有限(或者在生长硅纳米线时，同时有微小的硅烯薄膜产生，但由于各种原因，研究者没有注意到硅烯薄膜的存在)，这严重地影响到对硅烯薄膜的深入研究与探索。
技术实现思路
本专利技术提供一种操作简单、易于实现的固态硅源生长二维硅烯薄膜的方法。一种固态硅源生长二维硅烯薄膜的方法，采用物理气相沉积技术将硅原子基团从固态硅源中释放在催化层上而形成硅烯薄膜；所述形成硅烯薄膜过程中催化层的温度控制在20°C~1600°C之间；所述的催化层的厚度为25nm~25mm。其中，对催化层的温度控制可以采用升温控制、恒温控制或降温控制；采用升温控制时优选升温速率为0.5V /min~500°C /min ;降温控制时优选降温速率为0.2V Mn~4000C /min。但无论采用何种控制方式，都需保证催化层的温度控制在20°C~1600°C之间。作为优选,在一定温度下，米用物理气相沉积技术工艺将娃原子基团从固态娃源中释放在所述的催化层上，然后以0.2V /min~400°C /min的降温速率降到20°C。所述的物理气相沉积(PVD)方法为离子束沉积、电子束沉积、激光沉积、红外线加热沉积、溅射、热蒸镀、分子束外延等中的任意一种或二种以上的组合。具体采用哪种PVD技术并无严格要求，但一般情况下，PVD是在一定的真空度下(比如3.0X105Pa至I X 10-9Pa)进行的。所述的释放是指从固态硅源中产生硅原子基团，硅原子基团是指可以在催化层上形成硅烯薄膜的硅原子或者含有硅原子的物质；硅原子基团可以是硅原子，也可以是固态硅源分解后产生的含有硅原子的物质，硅原子基团在催化层的催化作用下能够形成硅烯薄膜。 从固态硅源中产生硅原子基团往往需要一定的能量去激发固态硅源，硅原子基团在催化层上扩散也往往需要能量，硅原子基团在催化层上形成硅烯薄膜也往往需要能量去激发催化层以便具有催化功能。这些所需的能量可以来自于物理气相沉积技术本身，如PVD技术中的高能粒子束(离子束、电子束、光子束等)等，这样合成硅烯薄膜的温度可以在20°C至1600°C之间；这些所需的能量也可以通过对催化层加热而达到。参照合成一维硅纳米线等已有的研究成果，催化层材料可以分为以下几类:(a)硅原子在催化层材料中的溶解度较大，包括Ag，Au，Al等；(b)硅原子在催化层材料中的溶解度较小且不与娃形成娃化物，包括Zn, Ga, In, Sn, Sb, Bi等；(c)催化层材料可以与娃原子形成硅化物，包括 Ti，V，Cr，Mn，Fe，Co，Ni, Cu，Zr，Mo，Ru，Pd，Ta，W，Re，Pt，Mg 等；(d)催化层为绝缘材料，包括ZrB2, SiC, SiO2, BN, Si3N4, HfO2, Al2O3, MgO等，以上的催化剂形成的纳米颗粒都可以用来合成一维硅纳米线，因此，本专利技术所述的催化层材料包括:Ag、Au、Al、Zn、Ga、In、Sn、Sb、B1、T1、V、Cr、Mn、Fe、Co、N1、Cu、Zr、Mo、Ru、P本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种固态硅源生长二维硅烯薄膜的方法，其特征在于，采用物理气相沉积技术将硅原子基团从固态硅源中释放在催化层上形成硅烯薄膜；所述催化层的厚度为25nm～25mm，催化层温度控制在20℃～1600℃之间。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：徐明生，陈红征，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：