[发明专利]一种二维纳米SnSe2晶体材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米半导体材料领域，更具体地，涉及一种二维纳米SnSe₂晶体材料的制备方法。

背景技术

石墨烯的发现极大地推动了二维材料的研究，仅几个原子厚度的材料，就能有非常不同的基本特性(Science 2004,306,666-669)。很多科研工作者随即开发出该物质的许多应用特性，从制作可弯曲屏幕到能源储存。然而，石墨烯带隙为零，用石墨烯做成的晶体管无法关断，这在一定程度上限制了它在光电子器件以及数字电子器件中的应用(Nature Photonics 2013,7,888-891)。对于这一领域而言，理想材料是半导体。虽然也有很多关于对石墨烯进行改性的方法使其带隙变为可以调控，但是都遇到了工艺复杂，成本昂贵的问题，不适合应用于普遍的半导体微纳器件领域。然而在石墨烯制备方面获得的成功经验激励了研究人员探索可替代的半导体二维材料(Advanced Materials 2014,26,2648–2653；ACS Nano.2015,9,2740-2748)。

现在也有很多类石墨烯的二维材料被众多学者们所关注，尤其是过渡金属硫化物(ACS Nano 2012,6,74-78)以及现在逐渐引起人们注意的Ⅲ-Ⅵ族二维材料如GaSe(ACS Nano 2014,8,1485-1490)，InSe(Advanced Materials 2014,26,6587-6593)，GaS(Nanoscale 2014,6,2582-2587)等。与这些二维材料相比，Ⅳ-Ⅵ族的二维材料其组成元素在地壳中分布广泛，含量丰富，且价格低廉，因此更具应用前景。

其中，二硒化锡(SnSe₂)，作为一种最重要的Ⅳ-Ⅵ族材料。由于硒和 锡两种元素在地壳中含量丰富，且相比已经发现的二维晶体材料如二硫化钼(MoS₂)，二硒化锡对环境和生物体危害较小，在微纳电子学和微纳光电子学中的应用潜力巨大。但是现今利用二硒化锡二维层状材料制作的光电子器件鲜有报道，主要受制于高质量大面积二硒化锡二维材料的合成技术难题。

如何便宜地制造均一、无缺陷的薄层已经成为所有二维材料实用化均需解决的一个重要问题。“粘带方法”能很好地适用于过渡金属硫化物，但却耗费时间。而且如何获得单晶块状二硒化锡的方法尚不成熟，导致该方法成本较高。化学剥离方法可以产生几克的亚微米大小的多层物质，但所获得的产品的晶体结构和电子结构都发生了改变。采用自下而上的合成方法，例如水热合成可以获得二硫化钼二维结构，但同样因为液体环境导致产物尺寸小且性能发生改变。另一种自下而上的方式是气相沉积技术，已经在一些材料中(例如二硫化钼和二硒化钨)获得几个原子层厚度的二维纳米晶体材料(Nature nanotechnology 2012,7,699-712)，但是生长过程中需要极高的温度才能将前驱体蒸发，能耗较高。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种二维纳米SnSe₂晶体材料的制备方法，其目的在于通过材料的选择和反应条件的优化，沉积出分布均匀的二维纳米SnSe₂晶体材料。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种二维纳米SnSe₂晶体材料的制备方法，其特征在于，反应区域在水平方向分为上游低温区、中心温区以及下游低温区；通过控制中心温区的温度，以及利用中心温区与上下游低温区的温差，使硒源和锡源蒸汽形成于上游低温区，并通过载气先带入中心温区反应生成SnSe₂，再带入下游低温区在衬底上沉积成为二维纳米SnSe₂晶体材料；通过控制反应时间，可以制备所需厚度的SnSe₂晶体；

所述硒源和锡源分别为单质硒和卤化锡，分别独立放置于上游低温区。

优选地，反应设备采用水平管式炉。

优选地，反应过程中，所述中心温区的反应温度为500℃～800℃，SnSe₂在衬底上的沉积温度为250℃～420℃；硒源和锡源在上游温区的蒸发温度为200～350℃。

优选地，反应区域内的压强小于等于一个大气压。

作为进一步优选地，反应区域内的压强等于一个大气压。

优选地，所述载气由体积比为10％～30％的H₂以及体积比为70％～90％的惰性气体或N₂组成。