[发明专利]异质结及由其衍生的电子器件

说明书

石墨烯和相关2D材料的问世最近产生了一项新技术：基于这些原子级厚的晶体的异质结。该范例证明了其本身非常多样化，并且产生了具有负差分电阻的隧道二极管、隧道晶体管、光伏器件等的快速示范。在本发明中，通过引入以一个原子平面精度设计的量子阱(QW)，这种范德瓦尔斯异质结的复杂性和功能性被带到下一级。本文描述了通过将金属石墨烯、绝缘六方氮化硼和各种半导体单层堆叠成复杂但精心设计的序列所制成的发光二极管(LED)。

技术领域

石墨烯和相关2D材料的问世最近产生了一项新技术：基于这些原子级厚的晶体的异质结。该范例证明了其本身非常多样化，并且产生了具有负差分电阻的隧道二极管、隧道晶体管、光伏器件等的快速示范。

在本发明中，通过引入以一个原子平面精度设计的量子阱(QW)，这种范德瓦尔斯异质结的复杂性和功能性被带到下一级。本文描述了通过将金属石墨烯、绝缘六方氮化硼和各种半导体单层堆叠成复杂但精心设计的次序所制成的发光二极管(LED)。

因此，本发明涉及垂直异质结及由这种结构衍生的器件，诸如发光二极管(LED)。具体而言，异质结包括含有石墨烯层、绝缘体层和半导体材料层的叠层结构，该叠层结构布置成形成一个量子阱或在异质结中堆叠的一系列量子阱。半导体材料是以一层或多层方式设置在垂直异质结中的过渡金属二硫属化合物(dichalcogenide)。石墨烯可以是石墨烯本身，或者可以是石墨烯经化学和/或物理改性而改变其电学性质的改性石墨烯。

第一种器件已经表现出近10％的外量子效率，并且通过适当地选择和组合2D半导体(单层过渡金属二硫属化合物)能够在宽的频率范围上调谐发射。

通过在弹性和/或透明基底上制备异质结，它们也能够提供柔性和/或半透明电子器件的基部。所演示的异质结的功能范围预计会在提高可用2D晶体的数量和增加它们的电子质量的方面进一步发展。

背景技术

石墨烯是碳的二维同素异形体，其中，sp²杂化碳原子的平面片以棋盘格六边形的“蜂窝图案”排列。石墨烯基本上是单层石墨。石墨烯是具有高室温电荷载流子迁移率的半金属。它在环境条件下稳定，并且其电学性质能够像传统硅晶体管一样通过施加电场进行控制(K.S.Novoselov,A.K.Geim,S.V.Morozov,D.Jiang,Y.Zhang,S.V.Dubonos,I.V.Grigorieva and A.A.Firsov,“Electric field Effect in Atomically ThinCarbon Films”Science,Vol.306,No.5696,pp.666-669,2004.)。

石墨烯的问世以及随后发现的其多种优越性质已使通过石墨烯的化学改性和其他层状化合物的剥离来识别许多其他二维晶体。已经分离的其他二维材料包括：NbSe₂、铋锶钙铜氧化物(BSCCO)和MoS₂。这些也是稳定的，并且能够表现出与石墨烯(诸如绝缘体、半导体或超导体)互补的电学性质。

石墨烯的性质通常由于其与大多数基底接近而受到影响。尽管能够使石墨烯悬浮，但这么做由于这些器件脆弱而在技术上是不利的。然而，氮化硼(BN)(一种作为良好的绝缘体的二维层状材料)提供了一个良好的基底，该基底与以前报道的材料相比对石墨烯的性能影响小得多。这体现在石墨烯电子迁移率增加和电荷不均匀性降低。也能够将薄晶体片非常干净并且精确地转移到另一个薄晶体片的表面，并且能够制备包含两个电绝缘的石墨烯层的器件。

对精确转移晶体并同时保持其质量的研究和进展的这一新领域导致出现了新一类材料：基于二维晶体的异质结。更具体而言，能够通过堆叠不同性质的二维晶体的组合来产生混合材料。从基础角度和应用角度来看，这些结构都令人关注。例如，已经示出了：石墨烯/氮化硼/石墨烯的三层堆叠可用作隧道晶体管。这意味着能够通过栅电极改变电子在两个单独的石墨烯层之间流动的电子势垒(BN)的大小。这些隧穿器件固然是快速的，并且可以适用于高频应用。通过用具有较小带隙的材料(诸如MoS₂)代替氮化硼层提高了开/关比。