[发明专利]一种大面积单元素二维材料制备设备及制备方法

说明书

本发明提出一种大面积单元素二维材料制备设备及制备方法，所述设备包括气氛调节装置、低温冷却装置、气管、真空调节装置、循环水装置和蒸发沉积装置。该设备的设计可以显著缩短材料制备的准备和反应时间、降低了生产成本、提高了生产效率。受制于设备自身的尺寸，而不是本发明所提出的方法的局限性，本发明可在四英寸硅片上制备大面积单元素二维碲薄膜材料，亦可以在未被光刻胶覆盖的衬底制备出二维单元素薄膜，其尺寸、厚度和位置可控。

技术领域

本发明属于微纳米制造技术领域，特别是涉及一种大面积单元素二维材料制备设备及制备方法。

背景技术

二维材料是一种层状纳米材料，其层内原子之间以共价键相连，具有强的作用力，而层间无悬挂键，作用力为弱的范德华力。在厚度方向上具有纳米级尺寸的材料，一般来说厚度为几分之一纳米到几十纳米，水平方向尺寸为纳米级、微米级、厘米级甚至米级。二维材料由于在厚度方向上具有纳米级的尺度，在最近十几年得到了长足的发展和研究，许多优异的物理和化学性质被发现，如二维材料的量子尺寸效应、量子限域效应、量子霍尔效应、双极性特性、载流子平面传输、比表面积大等。二维材料的典型代表是由A.K.Geim和K.S.Novoselov教授于2004年发现的石墨烯，单层厚度仅为0.335nm。石墨烯具有独特的二维结构和优异的电学、光学、力学和热学性能，随着研究的深入，类似的二硫化钼、二硫化钨等二维层状半导体化合物逐渐被发现。

近年来，氧族元素逐渐进入科学家的视野，其中钋为金属，碲为类金属，氧、硫、硒是典型的非金属元素。碲有两种同素异形体，即黑色粉末状、无定形碲和银白色、金属光泽、六方晶系的晶态碲，禁带宽度0.34eV，密度中等，熔、沸点较低。它是一种非金属元素，具有特殊的光电导特性、压电特性、非线性光学性质等特殊性质，因此在半导体发光器件、热电材料、光敏材料、气敏材料等领域有着非常重要的应用。在纳米技术快速发展到今天，发现单元素纳米结构的简单、廉价、易于大规模生产的制备方法和研究它们的电子器件的特性，无疑具有重要的意义。

目前针对单元素纳米结构的研究主要以零维和一维为主，二维碲纳米片的研究处于起步阶段。二维碲纳米片的水热法合成技术较为成熟，水热法是一种在密闭容器内完成的湿化学方法，通过调节反应条件可控制纳米微粒的晶体结构、结晶形态与晶粒纯度，利于制备缺陷极少、取向较好的晶体。但是水热法制备的二维材料有如下问题：厚度随保温时间的变化不均匀且反应时间较长；提纯及分散过程中易引入其他杂质，衬底和材料之间的散射较强降低性能；材料的水平方向尺寸较小，且在衬底上分布不均匀等，限制了后续阵列化设计、逻辑电路的搭建和柔性电子器件的制作。

发明内容

本发明目的是为了解决目前大面积单元素二维纳米薄膜制备方面存在的不足的技术问题，提出了一种大面积单元素二维材料制备设备及制备方法。本发明为直接制备大面积、高质量单元素二维纳米薄膜提供了一种有效、快速、结构简单的装置，并利用加工装置提出一种可以直接在基底表面制备大面积单元素二维薄膜的方法。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种大面积单元素二维材料制备设备，包括气氛调节装置1、低温冷却装置2、气管、真空调节装置、循环水装置和蒸发沉积装置；所述气管包括螺旋型铜管3-1、第一接头3-2和不锈钢管3-3；所述螺旋型铜管3-1的一端与所述气氛调节装置1连接，另一端与第一接头3-2连接，所述螺旋型铜管3-1放置于低温冷却装置2中，所述第一接头3-2与不锈钢管3-3连接，所述不锈钢管3-3与蒸发沉积装置连接，所述真空调节装置与蒸发沉积装置相连，所述循环水装置单独设置，分别与真空调节装置和蒸发沉积装置相连。

进一步地，所述蒸发沉积装置为热阻式蒸发镀膜仪。