[发明专利]二维多铁半导体材料及其制备方法

说明书

一种二维多铁半导体材料及其制备方法，在二维半导体铁电材料硒化铟中引入磁性元素，制备了兼具铁磁性和铁电性的二维多铁半导体材料，其具有2H相的六方结构，具体地，以硒粉、铟粒和磁性元素的氯化物粉末为原料，通过化学气相输运法或化学气相沉积法进行制备。本发明获得的二维多铁半导体单晶材料为二维结构，层内由共价键结合，层间由范德瓦尔斯力结合，剥离后的纳米厚薄膜同时具备铁电性和铁磁性，可作为制备高密度存储器，电磁传感器和多功能晶体管等器件的潜在应用材料。

技术领域

本发明涉及半导体功能材料，尤其涉及一种二维多铁半导体材料及其制备方法。

背景技术

随着自2004年首次实验成功得到单层石墨烯以来，人们逐渐把眼光转向具有各种独特的结构、机械和物理特性的低维层状半导体材料，目前已有上百种新的二维材料被发现并在实验上合成，它们展现出十分丰富的物理与化学性质。近些年来，人们在少层甚至单层二维半导体材料中发现其仍然具有铁电性或铁磁性，这就为将二维材料铁电性和铁磁性结合起来形成二维多铁材料打开了大门。多铁性材料同时具有铁电、(反)铁磁、铁弹等两种或两种以上铁性有序，并且由于多种序参量之间的相互耦合作用而产生新的效应。多铁性(磁电)材料作为一种新型多功能材料，不但能用于单一铁性材料的应用领域，更在新型磁-电传感器件、自旋电子器件、新型信息存储器件等领域展现出巨大的应用前景。而二维材料即使在单层下也能保持优异的电学、光学等性能，这为未来器件的进一步微型化和柔性化提供了新的机遇和材料基础。二维多铁半导体材料有望将极大地提升传感、存储、运算器件的器件性能和集成密度。而由于铁电和铁磁型对材料电子结构的要求不同，使得寻找兼具铁电性和铁磁性的二维本征半导体材料十分困难。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的是提供了一种二维多铁半导体材料及其制备方法，所获得的材料在室温下具有铁电性，在低温下同时具备铁磁性和铁电性。

作为本发明的一个方面，提供一种二维多铁半导体材料，通过在二维铁电半导体材料中引入磁性元素得到，使其同时具备铁电性和铁磁性，所述二维铁电半导体材料为硒化铟。

其中，所述二维多铁半导体材料的结构表达式为M_2xIn_2(1-x)Se₃，其中M为铁、钴、镍或铬，x＝0.01～0.5，为2H相的六方结构。

作为本发明的另一个方面，提供一种如上所述的二维多铁半导体材料的制备方法，以硒粉、铟粒和磁性元素的氯化物粉末为原料，通过化学气相输运法或化学气相沉积法进行生长，得到二维多铁半导体单晶材料。其中，所述制备方法具体包括以下步骤：

(1)将硒粉、铟粒、磁性元素的氯化物粉末和传输介质进行配比并混合均匀；

(2)将步骤(1)中的混合材料真空封入一容器中；

(3)将所述容器置于双温区中通过化学气相输运法生长10～30天后，得到二维多铁半导体单晶材料。

其中，所述的硒粉、铟粒和磁性元素的氯化物粉末按照M_2xIn_2(1-x)Se₃，其中x＝0.01～0.5的化学计量比进行称重配比，M为铁、钴、镍或铬。

其中，所述传输介质的用量为所述混合材料总质量的1％～15％；所述传输介质选自碘粒、氯化铵、氯化碘或液溴。

其中，所述双温区的热端为980～940℃，冷端860～820℃，其中所述混合材料位于所述热端。

其中，所述制备方法在步骤(3)之后还包括：

(4)对所述二维多铁半导体单晶材料进行机械剥离，得到二维多铁半导体纳米片材料。

基于上述技术方案，本发明的有益效果在于：