[发明专利]一种二维Zn掺杂Ca2

说明书

本发明属于低维纳米薄膜材料领域，具体涉及一种二维Zn掺杂Ca₂Si纳米薄膜及其化学气相沉积方法。将装有Ca粉末的石英皿放置在三温区高温管式炉的前端区域，将装有Zn粉末的石英皿放置在三温区高温管式炉的中间区域，预处理后的玻璃基底放置在三温区高温管式炉的末端区域。在氩气和SiH₄的载气下，以一定的升温速率加热三温区管式炉的前端、中间和末端区域，反应一段时间，反应生成物沉积于玻璃基底上，再将反应生成物在管式炉中进行原位退火处理，得到二维Zn掺杂Ca₂Si薄层材料。该方法制备工艺简单，产品纯度较高，有望能够实现大规模、高质量的二维Zn掺杂Ca₂Si纳米薄膜的生产，具有很好的产业化前景。

技术领域

本发明属于低维纳米薄膜材料领域，具体涉及一种二维Zn掺杂Ca₂Si纳米薄膜及化学气相沉积法的制备方法。

背景技术

二维材料因其载流子迁移和热量扩散都被限制在二维平面内，使得这种材料展现出许多奇特的性质。其带隙可调的特性在场效应管、光电器件、热电器件等领域应用广泛；其自旋自由度和谷自由度的可控性在自旋电子学和谷电子学领域引起深入研究；不同的二维材料由于晶体结构的特殊性质导致了不同的电学特性或光学特性的各向异性，包括拉曼光谱、光致发光光谱、二阶谐波谱、光吸收谱、热导率、电导率等性质的各向异性，在偏振光电器件、偏振热电器件、仿生器件、偏振光探测等领域具有很大的发展潜力。

碱土金属硅化物Ca₂Si材料，其直接带隙约为0.31 eV，是由资源寿命极长的Ca、Si元素组成，能循环利用，对地球无污染，且由于钙硅化合物Ca₂Si与现有的硅基技术有着优良的兼容性，被认为是很有前景的新型环境友好半导体材料，在太阳能电池以及热电转化等领域具有潜在的应用前景。与块体材料相比，二维材料具备更多的优势，例如其具有较好的柔性和高的透明度，因此，二维材料在相应领域的应用前景广阔。二维CaC₂在高压下的相变引起了较高的关注，其优越的导电性和超导性等物理性质得到了研究；CaP₃纳米薄膜是一种新预测的二维功能材料，不仅具有1.15 eV的直接带隙，而且具有高达19930 cm²·V^-1·s^-1的电子迁移率，是用于纳米电子应用的非常期望的功能材料。二维Ca₂Si在环境条件下具有良好的稳定性，并显示出沿不同方向的各向异性载流子迁移率，这种高载流子迁移率表明二维Ca₂Si纳米薄膜对于高效太阳能电池和其他应用具有良好前景。

通过元素掺杂能有效地改变材料的电子结构和电性能。由于Zn元素具有和碱土金属类似的性质，并且Zn离子的半径小于Ca离子半径，因此当Zn元素掺入Ca₂Si后，Zn离子容易取代Ca离子的位置从而进入晶格结构中，作为施主掺杂，提供导电电子作为载流子。除此之外，Zn离子的掺杂可以使半导体内部形成更多的空位，从而提高材料的电导率与热电性能。目前，关于Zn掺杂Ca₂Si热电材料仍几乎未见报道。

另外，剥离法制备出的二维纳米薄膜的尺寸和厚度不能有效控制，且产率较低。而采用溅射方法获得的二维纳米薄膜结晶性差，晶粒尺寸很小，且容易有金属残留。相比之下，化学气相沉积制备的二维纳米薄膜尺寸更大，结晶度更高，能实现单层、双层及少层薄膜样品的高质量生长，因此本发明采用化学气相沉积法制备了二维Zn掺杂Ca₂Si纳米薄膜。

发明内容

本发明目的是提供了一种二维Zn掺杂Ca₂Si纳米薄膜及其化学气相沉积方法。本发明的所用的制备方式是利用化学气相沉积的合成方法，在玻璃基底上生长出高质量的二维Zn掺杂Ca₂Si纳米薄膜。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:

一种二维Zn掺杂Ca₂Si纳米薄膜的化学气相沉积方法，所述方法包括以下步骤：