[发明专利]生长单层磷化硅晶体的方法

说明书

本发明公开了一种生长单层磷化硅晶体的方法，包括以下步骤：准备石英管，石英管的两端分别为原料端和基底端，在石英管的基底端内放置一基底，在石英管的原料端内放置原材料和输运剂，对石英管进行抽真空，抽真空后密封石英管，其中，原材料为单质硅和红磷的混合物，输运剂为单质碘；对石英管的原料端和基底端同时加热5～36h，加热后随炉冷却至室温20～25℃，在基底上得到单层磷化硅晶体，其中，原料端的加热温度为1000～1150℃，基底端的加热温度为600～950℃。本发明利用化学气相输运法第一次实现了单层磷化硅二维晶体的生长，既是生长单层SiP二维晶体的巨大突破，也为化学气相输运法生二维晶体材料提供有利支撑。

技术领域

本发明属于单层磷化硅晶体制备技术领域，具体来说涉及一种生长单层磷化硅晶体的方法。

背景技术

目前已知的二维材料各有优缺点，比如石墨烯虽然具有高热导率，高的载流子迁移率，但是石墨烯的“零带隙”使其无法实现半导体的逻辑开关，极大地限制了其在半导体领域的应用；二硫化钼作为一种典型的过渡金属硫族二维半导体化合物，其单层具有直接带隙1.8eV，所以二硫化钼不会受到“零带隙”的约束,其电流开关比高达10⁸，但是这种材料的室温载流子迁移率只有200cm²v^-1s^-1，过低的迁移率限制了它在半导体领域的应用。由此可见,寻找具有合适带隙并且具有高载流子迁移率而且更稳定的二维半导体材料依然是二维材料领域重要的研究课题。磷化硅晶体是IVA-VA新型二维材料的典型代表，其优异的各向异性特征和光电性能，在微电子、能源、催化、非线性光学等诸多领域有巨大的应用潜力。

通常利用机械剥离法获得二维磷化硅晶体，但很难获得层数、大小可控的二维磷化硅晶体，而且产量低。由于其理化性质不稳定，所以用常规二维晶体生长方法很难制备。液相剥离法制备薄层磷化硅晶体很容易污染样品、样品性质容易发生改变，而且不容易在横向纵向上控制厚度；由于磷具有较高的饱和蒸汽压、硅具有较高的熔沸点，所以用化学气相沉积法(CVD)去制备磷化硅晶体很难实现；薄膜外延制备磷化硅晶体成本很高；物理气相沉积法(PVD)制备磷化硅晶体虽然可以进行合成，但首先需要原料合成步骤繁琐，其次易引入杂质。

发明内容

针对二维磷化硅晶体制备困难的问题，本发明的目的在于提供一种生长单层磷化硅晶体的方法，该方法通过改进传统生长晶体的化学气相输运法(CVT)法，可以一步制备单层磷化硅晶体。

本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的。

一种生长单层磷化硅晶体的方法，包括以下步骤：

1)准备石英管，所述石英管的两端分别为原料端和基底端，在所述石英管的基底端内放置一基底，在所述石英管的原料端内放置原材料和输运剂，对所述石英管进行抽真空，抽真空后密封所述石英管，以使该石英管的管内压强为4×10^-6～4×10^-4Pa，其中，所述原材料为单质硅和红磷的混合物，输运剂为单质碘；

在所述步骤1)中，所述基底为蓝宝石。

在所述步骤1)中，所述石英管的长度为15～50cm，内径为10～20mm。

在所述步骤1)中，按质量份数计，所述原材料和输运剂的比为(2～6)：(1～3)。

在上述技术方案中，所述原材料的质量为2～6mg。

在所述步骤1)中，按质量份数计，所述单质硅和红磷的比为(1～6):1。

2)对所述石英管的原料端和基底端同时加热5～36h，加热后随炉冷却至室温20～25℃，在基底上得到单层磷化硅晶体，其中，所述原料端的加热温度为1000～1150℃，所述基底端的加热温度为600～950℃。

在所述步骤2)中，所述原料端和基底端之间温度的梯度为1.6～14℃/cm。