[发明专利]一种沉积液相分离二维材料的方法、薄膜及应用

说明书

本发明提供一种沉积液相分离二维材料的方法、薄膜及应用，采用了超声雾化将液相分离的二维材料沉积成薄膜，从而得到不需要严格遵循晶格匹配和对称性的异质结，并且大幅度降低了二维薄膜量产成本。通过该沉积方式，可以得到厚度在16‑400nm的薄膜，可广泛用于不同衬底上，比如氧化硅衬底、透明ITO衬底或者柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)衬底，本发明所沉积的范德华异质结在透明柔性衬底上显示出了整流效应(MoSsubgt;2/subgt;‑SnS)、光致发光效应(MoSsubgt;2/subgt;层状量子点)，为可穿戴设备提供低成本量产的可能性。在n型硅上展现的光伏效应(n‑type Si/p‑type SnS)，为自供电光电探测器提供了多种选择。

技术领域

本发明属于半导体技术领域，尤其是涉及一种沉积液相分离二维材料的方法、薄膜及应用。

背景技术

在过去的几十年中，半导体器件极大地改变了世界人民的产业和生活。随着基于场效应晶体管(MOSFET)的计算芯片组的发展，使用高电子迁移率晶体管(HEMT)的无线通信以及新一代显示器，尤其是发光二极管(LED)，激光二极管(LD)和太阳能电池，基于各种异质结构的太阳能电池(尤其是多结太阳能电池，MJSC)已将全球电气时代转变为信息时代。然而具有不同晶格参数或晶格对称性的材料很难被整合在一起，异质结界面缺陷/无序会明显的降低其电子和光电性能。尽管取得了巨大的成功，但当前的半导体异质结构技术仍严格限于少数传统异质结构，例如基于Si/SiO₂、GaAs/InAs和GaN/AlGaN的系统。

为了进一步拓宽异质结构集成的视野，悬空无悬挂键的原子层状范德华界面被大量的研究。机械剥离也可以保持分层材料的电子和结构完整性，然而，通过机械方法剥落层状材料的开发在大规模生产方面具有其局限性。化学气相沉积方法可用于生长二维材料，然而除了石墨烯(Graphene)以外，还没有开发出能高质量大面积生长，低成本量产的二维材料制备工艺。液相分离法，可将溶液中具有层状结构的体材料分离成单层或者多层的纳米片。从而得到可批量生产的二维材料。由于二维材料自身没有悬挂键，结合二维材料和传统材料，形成完美的低成本的范德华异质结并应用于微电子/光电领域受到了极大关注。尽管液相法能以较低的成本生产大量的二维材料，然而将这些材料沉积成薄膜得方法依然十分有限。

旋涂法可用于将均匀的薄膜方便而有效地沉积到平坦的基底上。例如，旋涂工艺已成功用于从多种二维纳米片的油墨(包括Graphene、Bi₂Se₃、Bi₂Te₃、MoS₂、WSe₂)在不同基底(包括SiO₂/Si，玻璃和塑料)上制备晶圆级均匀薄膜。由于宽/厚纵横比大，这些纳米片中的大多数平铺在衬底上，且纳米片的平面与基材表面平行，以形成致密的薄膜。但是，对于诸如平板显示器之类的工业规模的制造，旋涂不是一种经济有效的方法，而且还会浪费大量的墨水材料。

喷涂法使用设备(喷枪)通过喷嘴将墨水溶液喷涂到基底上，通过使用压缩气体让墨水雾化并引导液滴。它已广泛用于在通用基底上喷涂二维墨水材料，包括氧化石墨烯和MXene薄膜，以用于各种应用。通过调整喷涂参数，可以获得具有有序堆叠层的致密薄膜。该方法与大规模制造兼容，但是，其沉积薄膜的质量和均匀性并不十分理想。

墨水印刷工艺是沉积二维纳米片薄膜中最成熟有效的方法，具有高产量，低成本和规模化可行性的优点。结合无掩模构图功能和零材料浪费，高空间分辨率(约10μm)喷墨打印在结构设计上提供了极大的灵活性，非常适合二维薄膜设备的原型制作。迄今为止，墨水印刷工艺得二维材料已经应用到各种器件中，其中包括场效应晶体管，电容器，光电探测器，存储设备和无线连接天线等。然而由于需要保持墨水的黏稠性，残留的有机溶剂严重得影响了器件得性能。

发明内容

本发明的第一个目的在于，针对现有技术中存在的不足，提供一种沉积液相分离二维材料的方法。

为此，本发明的上述目的通过以下技术方案实现：