[发明专利]一种黑磷单晶片的制备方法

说明书

本发明公开一种黑磷单晶片的制备方法，该方法涉及大尺寸二维单晶材料生长方面。制备方法是将磷源、催化剂按照一定质量比例加入密封反应器中，再进行烧结，最终得到大尺寸黑磷单晶片。本方法获得的黑磷单晶片水平尺寸可达厘米级，片状结构完整性高，且成功实现单晶片之间分散成核生长，不互相粘连，能够获得高质量无损单晶黑磷单晶片，有利于下游应用。

技术领域

本发明涉及新型二维单晶材料的生长，具体涉及一种大尺寸高质量黑磷单晶片的制备方法。

背景技术

大尺寸单晶材料一直在国民经济发展中扮演着举足轻重的地位。随着单晶材料尺寸的增大，会快速推动一个行业的发展，其中最为突出的材料便是硅，单晶硅从以前的四英寸扩大到如今的十八英寸，极大的延续了集成电路的蓬勃发展。黑磷作为一个新型二维半导体材料，由于高载流子迁移率和开关比，它在晶体场效应管表现出优异的性能，并且黑磷在光电催化、能源存储、柔性器件、生物制剂等领域也展现出巨大的应用前景。多种磷的同素异形体在大气环境中都不稳定，且个别物质还是剧毒，而黑磷却表现出室温稳定无毒特性，易于加工，因此科研界和产业界都十分看好黑磷的发展前景。

目前高压法、铋重结晶法、机械球磨法这些已报道的黑磷制备方法都无法得到大尺寸黑磷单晶片。同时经典的化学气相输运法利用红磷、单质锡、四碘化锡作为反应原料，无法有效调控黑磷晶体生长形态，得到的黑磷晶往往聚集在一起，长成簇状，无法得到高质量大尺寸黑磷单晶片。

黑磷作为一个新兴的半导体二维材料，在场效应晶体管中表现出优异的性能，被科研界和工业界认为是一种极具潜力的芯片基材。而熟知的工业级芯片基材——单晶硅最大已经达到十八英寸，而目前尚没有相关专利文献报道过能够有效调控黑磷晶体长成片状结构的方法，长成厘米级、晶圆级黑磷单晶片目前只是一种愿景，要想进一步推动黑磷在半导体行业的实用化，发展生长大尺寸黑磷单晶片方法刻不容缓。

发明内容

本发明的目的是，提供一种有效调控黑磷生长成具有特定片状结构的制备方法。黑磷单晶片的成核生长方式明显不同于经典化学气相输运法制备的黑磷晶体，黑磷单晶片成核点集中，新催化剂作用下反应势垒大大降低，从而能得到大尺寸黑磷单晶片。而经典化学气相输运法制备的黑磷晶体成核点分散，形态往往形成团状或簇状。该方法得到的黑磷单晶片形貌均一、水平尺寸可达厘米级。

本发明提供一种黑磷单晶片的制备方法，包括两个步骤：催化剂制备以及磷源同催化剂反应，从而得到黑磷单晶片。

具体的，所述催化剂为SnIP三元化合物，所述催化剂制备具体如下：将反应原料按照SnIP三元化合物化学计量比称取并充分混合均匀，然后加入石英管中抽真空密封，置于马弗炉中在300℃～520℃下处理2～96h得到SnIP三元化合物。

进一步的，所述SnIP三元化合物的制备原料为单质锡、单质磷两原料与碘单质、碘化亚锡或四碘化锡的组合。

具体的，所述磷源同催化剂反应包括以下具体步骤：

1)将磷源和催化剂按照一定质量比例加入到密封反应器中；

2)把反应器置于加热装置在一定温度下烧结一定时长，最终得到黑磷单晶片。

具体的，所述步骤1)中所述磷源为红磷或黄磷，原料状态优选颗粒或块状。

具体的，所述磷源和催化剂的质量比例为(40～0.5):1。

具体的，所述密封反应器为陶瓷管、不锈钢管或熔封的石英管。

具体的，所述步骤2)中加热装置为单温区管式炉、多温区(双温区及以上)管式炉、马弗炉、箱式炉、微波炉或单晶炉中的一种。

具体的，所述烧结温度为420℃～550℃，烧结时长2～120h。

上述任一项所述的黑磷单晶片的制备方法得到的黑磷单晶片，可以应用于柔性器件、传感器、微电极、光电催化、电池和晶体场效应管。