[发明专利]一种基于高导电性能二维铋薄膜的器件及制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种基于优异电学性能的二维铋薄膜的器件及其制备方法，包括基底和电极。利用电子束蒸镀的工艺首次在纯硅片基底上制备出高导电性能的二维铋薄膜，并通过光刻和电子束蒸镀的工艺在二维铋薄膜上制作出特定形状的电极。该方法工艺可控，可大规模制备高导电性能的二维铋器件，二维铋导电薄膜与基底材料以层状/层状形式复合,使二维铋薄膜具有长平均自由程、高载流子迁移率、高热电转换效率的特征。具有表面平整度高、材料厚度可调、化学性质稳定等优点，且使用寿命长、材料耐久性好。

技术领域

本发明涉及热电领域，尤其涉及一种基于高导电性能二维铋薄膜的晶体管器及制备方法与应用。

背景技术

热电效应将热转化为电，是一种新型的、清洁的能量获取方式。热电材料利用热电效应被广泛应用于热电发电、热电制冷等领域。通过吸收传统发电方式所产生的废热、余热，利用温差发电的形式提高能量转换效率。

铋是一种具有高载体的后过渡金属。由于具有电子有效质量小，低导热率，以及较长声子和的电子平均自由路径，高载流子迁移率的特性，使铋及其二维形式铋导电薄膜在热电器件中具有应用前景。现有导电薄膜在热电性能尚有欠缺，如热电优值较低。而铋金属理论上具有很高的优值系数，通过调控厚度制备高导电性能的铋薄膜，使器件兼有高塞贝克系数和电导率，在热电领域有很好的应用前景。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种电导率高，可大规模制备的基于高导电性能二维铋薄膜的器件及制备方法与应用。

技术方案：本发明的基于高导电性能二维铋薄膜的器件，包括基底和叉指电极，所述基底上设有二维铋薄膜材料，所述叉指电极位于二维铋薄膜材料上方。

进一步地，所述二维铋的纯度大于99.999％，二维铋薄膜的厚度为20～30nm。

进一步地，所述二维铋薄膜的电导率为1.8×10⁴～8.8×10⁴S/m。

本发明的基于高导电性能二维铋薄膜的器件的制备方法，包括如下步骤：

(1)对基底表面进行预处理；

(2)通过物理气相沉积的方法或分子束外延的方法在基底上制备二维铋薄膜；

(3)在二维铋薄膜表面进行图案化处理，得到叉指电极的图案；

(4)通过物理气相沉积的方法在图案化处理后的基底上沉积钛薄膜和金薄膜，并通过剥离工艺将多余的钛薄膜和金薄膜从二维铋薄膜上剥离，完成叉指电极的制作，得到二维铋薄膜器件。

进一步地，步骤(1)中，预处理的具体步骤如下：

(a)取厚度为0.5mm的基底材料；

用丙酮浸泡基底后超声清洗10min，再用异丙醇浸泡基底后超声清洗10min、然后用去离子水浸泡基底后超声清洗10min，最后用氮气枪吹干。

进一步地，步骤(1)中，所述基底选取纯硅片、氧化层厚度为300nm的硅片、玻璃中的一种。

进一步地，步骤(2)和(4)中，所述物理气相沉积的方法具体指电子束蒸镀技术。

进一步地，步骤(2)中，利用分子束外延的方法在基底上制备高导电性能的二维铋薄膜，具体步骤如下：

(a)将硅衬底浸入稀释的氢氟酸溶液中进行前处理，以去除其表面的氧化物，并在处理后20分钟内放入高真空系统中以限制其再氧化。

(b)利用分子束外延的方法在步骤(a)中已去除表面氧化层的硅上生长二维铋薄膜，生长方向为硅的面，生长速率为室温下所生长二维铋薄膜的厚度为8～30nm。