[发明专利]基于分子束外延生长大面积高稳定单层蓝磷烯的制备方法

说明书

本发明提供了一种基于分子束外延生长大面积高稳定单层蓝磷烯的制备方法，包括步骤1：对Cu(111)衬底进行氩离子刻蚀以及退火处理，以去除表面的杂质，得到洁净的Cu(111)衬底；步骤2：对Cu(111)衬底进行氧化处理，得到氧化层Cu₂O(111)衬底；步骤3：以黑磷为前驱体，在Cu₂O(111)衬底上用分子束外延的方法沉积磷原子，得到P/Cu₂O(111)；步骤4：对P/Cu₂O(111)进行升温以退火，得到大面积均匀单层蓝磷表面。本发明实现了规则蓝磷表面的大规模制备，制得的蓝磷表面无杂质污染，在电子和光电器件领域具有巨大的潜在应用价值，且制备过程简单，无有害物质产生，生产效率高，适合大规模推广。

技术领域

本发明属于二维材料的生长及制备领域，特别涉及基于分子束外延生长大面积高稳定单层蓝磷烯的制备方法。

背景技术

自2004年Andre Geim等人通过机械剥离的方法成功制得单层石墨烯以来，二维材料获得了广泛的关注和大量的研究，从石墨烯到第四主族的类石墨烯二维材料，过渡金属硫化物，第五主族元素二维材料，以及众多的二元、三元二维材料，二维材料从理论研究逐渐转向制备以及实际应用。二维材料在催化、电化学储能、半导体以及自旋电子器件中有着巨大的应用潜能。但是目前各类二维材料的物理化学性质已难以满足现如今越来越高的理论与应用需求。因此为了实现二维材料器件更好的应用，人们一直从未停止对新材料的探索。

黑磷无论层数多少都是直接带隙半导体，意味着电子只需要吸收能量而不需要改变动量，从而其与光的耦合效率更高；另外其带隙随层数的减少而增加(0.3eV～2.5eV)，涵盖了原本无法从其他所有二维层状材料获得的带隙。黑磷连接了石墨烯(零带隙)和过渡金属硫化物(TMDCs，1-3eV)之间的带隙范围。至关重要的是，黑磷带隙对应的光波波长在0.6到4.0微米之间，覆盖了可见光到红外区域。其次是其独特的结构性质，即面内原子的各向异性，载流子的有效质量在zigzag边是armchair边的10倍左右，从而可以用来制备基于各向异性的等离子器件、热电器件等。因此，通过控制其层数，调节其边与电极的相对取向，黑磷的单层及块材可应用于催化、储能、传感器、电子器件等许多领域，拥有巨大的发展空间。但是，目前用于器件制备的单层或少层黑磷主要通过微机械剥离或者液相分离的方法获得，虽然可以基本满足对材料基础物理现象的实验研究和原型器件的验证演示，但由于黑磷的不稳定性，其表面对水、氧的敏感以及本身的缺陷，特别是在光照下的、大气环境中的降解，造成了实际器件与理论预测之间的明显差异。

蓝磷作为黑磷的一种同素异形体，具有较高的稳定性和载流子迁移率，理论计算单层蓝磷具有2eV的带隙，因此在电子和光电器件领域具有巨大的潜在应用价值，是一种新兴的二维晶体材料。然而目前对蓝磷的实验研究相对较少，并且由于自然界缺少层状蓝磷，用传统的机械剥离法无法实现蓝磷的大规模制备，因此可以用分子束外延的方法在合适的衬底上外延生长蓝磷薄膜。

衬底材料的性质对蓝磷的生长具有很大的影响，由于磷通常会与多种元素反应生成磷化物，使得二维磷材料的制备更加困难。并且衬底可能影响所生长出的蓝磷的电荷传输性质，限制其在电子器件领域的具体应用。因此衬底的选择非常重要，需要研究蓝磷在生长过程中与不同衬底之间的相互作用，寻找最合适的衬底，使其具有合适的界面间相互作用，制备出单层蓝磷并且保留蓝磷优异的电学性质。衬底的选择对蓝磷的生长，形貌，性质有着决定性的作用。目前只有Au(111)表面可以生长出蓝磷，该体系的缺点在于，蓝磷与衬底Au(111)发生相互作用而产生重构，从而改变其电子性质，同时，在Au(111)上生长的蓝磷结构不稳定，加热到550K以上就会发生分解或脱附。因此亟需发展一种可靠的方法来制备具有高稳定性的蓝磷烯。要实现与石墨烯一般大规模、高质量的制备是所有二维材料实用化所面临的技术挑战，也是该类材料在电子学器件应用中进一步拓展的关键。

发明内容

为了解决现有技术的缺陷，本发明提供了一种基于分子束外延生长大面积高稳定单层蓝磷烯的制备方法，包括以下步骤，