[发明专利]一种电场和/或磁场调控合成二维材料的装置和方法

说明书

本发明公开了一种电场和/或磁场合成二维材料的装置和方法，于二维材料合成的反应腔内设置磁场产生装置和/或电场产生装置以及高温高真空保护装置，使气态分子、固体粒子或等离子体在磁场和/或电场调控下沉积于衬底上形成二维材料，调控方式包括加速前驱物分解、定向移动气态分子、固体粒子或等离子体和调控二维材料在衬底上的成核位点和晶粒取向，提高二维材料合成所需衬底的选择性，提高二维材料合成速率，可低温、快速合成高质量二维材料。

技术领域

本发明涉及材料合成领域，特别涉及一种电场和/或磁场调控合成二维材料的装置和方法。

背景技术

二维(2D)光电材料是由单层或少数层原子组成，层内由较强的共价键或离子键连接，而层间则由作用力较弱的范德瓦耳斯力结合。它们因独特的2D结构而具有很多传统材料所不具备的奇特特性与功能。在二维材料家族中，从零带隙的石墨烯，到中间过度带隙的过渡金属硫化物，再到超宽带隙(～6eV)的二维六方氮化硼(h-BN)，都具有独特的光电特性、优良的机械柔韧性、稳定性，在构筑高性能、新功能光电子器件方面已经展现了巨大潜力。

但是，二维材料从实验室研究到大规模的市场应用仍然有一条漫长的路要走。在诸多限制因素中，二维材料合成条件苛刻、对衬底要求高、晶体质量差、生产成本高昂仍是阻碍二维材料市场化的主要原因。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种电场和/或磁场调控合成二维材料的装置和方法。

为了实现以上目的，本发明的技术方案为：

一种电场和/或磁场调控合成二维材料的装置，包括用于使前驱物形成气态分子、固体粒子或等离子体的反应装置，所述反应装置设有反应腔，所述反应腔内设有磁场产生装置和/或电场产生装置以及高温高真空保护装置，所述磁场产生装置和/或电场产生装置调控所述气态分子、固体粒子或等离子体沉积于衬底上形成二维材料。

可选的，所述反应装置是化学气相沉积装置、物理气相沉积装置、脉冲激光沉积装置、原子层沉积装置、分子束外延装置、氢化物气相外延装置中的一种。

可选的，所述电场产生装置包括石英支架和装设于石英支架上的上电极板和下电极板，所述上电极板、下电极板相对设置并通过导线外接电源。

可选的，所述高温高真空保护装置包括包裹所述导线的石英管以及用于连接所述导线和电源的高真空电极密封装置，所述高真空电极密封装置包括钢制密封管和真空电极。

一种基于上述装置的合成二维材料的方法，包括以下步骤：

1)将衬底装设于所述反应腔中；

2)启动所述磁场产生装置和/或电场产生装置，启动所述反应装置使前驱物形成气态分子、固体粒子或等离子体，所述气态分子、固体粒子或等离子体在磁场和/或电场调控下沉积于所述衬底上形成二维材料；其中，所述调控包括以下调控中的至少一种：

调控Ⅰ:所述磁场和/或电场加速所述前驱物分解；

调控Ⅱ:所述磁场和/或电场定向移动所述气态分子、固体粒子或等离子体；

调控Ⅲ:所述磁场和/或电场调控二维材料在所述衬底上的成核位点和晶粒取向。

前驱物在衬底表面附近时为气态分子、固体粒子或等离子体，弱分子间作用力可以被电场精准的调控。

可选的，所述衬底包括铜、镍、铂、金、银、铁、钛、镓、硅、二氧化硅、碳化硅、氮化硅、蓝宝石、云母、石英、氮化镓、铝镓氮、氮化铝、氮化硼、石墨烯、过渡金属硫化物中的一种或多种。

可选的，所述二维材料包括二维六方氮化硼、二维石墨烯、二维过渡金属硫化物、二维硅烯、锗烯、黑磷中的一种或多种。