[发明专利]一种基于二维层状材料的器件及制备方法

说明书

本发明公开一种基于二维层状材料的器件及其制备方法，器件由电极一和电极二构成；所述电极一为二维层状材料；所述电极一由辅助部件支撑，悬空摆放；所述电极一和电极二顶端之间形成缝隙一；所述电极二顶端面积小于电极一悬空部分的面积；所述电极二的侧边与辅助部件的侧边之间形成缝隙二；器件工作时电极一和电极二之间施加电压；该器件可实现二维层状材料平面端面的低压场致电子发射，可应用于低压驱动、低真空条件下工作的微纳真空三极管或光电探测器。

技术领域

本发明涉及电子和光电子器件技术领域，具体而言，涉及一种基于二维层状材料的器件及制备方法。

背景技术

二维层状材料（例如：石墨烯、二硫化钼、二硒化钨等）是一类新型的场致电子发射材料。典型的少层二维层状材料（原子层数为2-10）的厚度小于10nm，其锐利的边缘具有强电场增强效应，有利于获得低压场致电子发射。因此，已报道的文献多数利用二维层状材料的锐利边缘实现低压场致电子发射，并作为电子源进行了应用尝试。然而，二维层状材料边缘的晶体结构和电子特性的一致性难以控制，少层直立的二维层状材料刚性较差，形貌差异较大，不利于微纳真空电子器件的制作，特别限制了其在微纳真空二极管、微纳真空三极管中的应用尝试。

如果能有效利用二维层状材料的平面端面实现低压场致电子发射，将有可能解决上述难题，促进二维层状材料在微纳真空电子器件中的应用。但是，二维层状材料的平面端面不具备明显的电场增强效应；大部分二维层状材料具有较高的功函数或电子亲和势，例如石墨烯的功函数为4.5 eV、二硫化钼的电子亲和势为4.2 eV、二硒化钨的电子亲和势为4.06 eV、黑磷的电子亲和势为4.4 eV。上述问题造成二维层状材料平面端面场致电子发射效率低，难以实现低压驱动。有研究者提出通过内电场增强二维层状材料电子的面内散射，发生声子辅助场发射；或通过焦耳热增加二维层状材料面内热电子浓度，诱导热电子发射。上述两种方式均有效地降低了二维层状材料平面端面的场致电子发射开启电压；然而，内电场和焦耳热的引入使器件能耗增加。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中二维层状材料平面端面场致电子发射特性差，难以在微纳器件中应用的问题，提供一种能实现二维层状材料平面端面低压场致电子发射的器件。

本发明的另一目是提供上述基于二维层状材料的器件的制备方法。

本发明的上述目的通过以下技术方案予以实现：

一种基于二维层状材料的器件，器件由电极一和电极二构成；所述电极一为二维层状材料；所述电极一由辅助部件支撑，悬空摆放；所述电极一和电极二顶端之间形成缝隙一；所述电极二顶端面积小于电极一悬空部分的面积；所述电极二的侧边与辅助部件的侧边之间形成缝隙二；器件工作时电极一和电极二之间施加电压。

所述电极一与电极二顶端之间的缝隙一的宽度为1-100nm；所述电极一悬空部分的面积为电极二顶端面积的3倍以上；所述电极二的侧边与辅助部件的侧边之间的缝隙二的宽度为10-5000 nm。

基于二维层状材料的器件应用于低压驱动的微纳真空三极管时，所述电极二施加的电压高于所述电极一施加的电压；所述电极二顶端面积小于电极一悬空部分的面积，所述电极二的侧边与辅助部件的侧边之间形成缝隙二，使电极二正对的二维层状材料电极一局域位置中电子能级钉扎效应弱化；在电极二电场诱导下，电极一中的电子填充到较高的能级并产生场致电子发射；所述电极一与电极二顶端之间的纳米缝隙有助于降低器件驱动电压，实现所述器件在低压驱动的微纳真空三极管中的应用。