[发明专利]一种二维碲化铋单晶片的CVD制备方法

说明书

一种二维碲化铋单晶片的CVD制备方法，所述方法采用化学气相沉积法，并利用滑轨对材料生长过程进行调控，得到了形貌可控的大尺寸二维碲化铋单晶片。该方法可以有效避免升温和降温阶段副反应的发生，大大减少副产物在衬底表面的沉积，所制备的碲化铋单晶片尺寸较大而且形貌可控，呈现规则的六边形或三角形。这种单晶材料拥有单一的晶体取向和更好的结晶质量，使其成为未来光电探测器领域最有潜力的一类材料，这对材料的光电性能的提高具有重要的意义。

技术领域

本发明属于二维半导体材料制备领域，具体涉及一种二维碲化铋单晶片的CVD制备方法。

背景技术

碲化铋是一种V-VI族半导体化合物，其熔点约为575℃，密度为7.86g/cm³。Bi₂Te₃晶体为菱方晶系，所属的空间群号为R-3m。由于其在室温下的禁带宽度为0.145eV，与波长为8μm左右的红外波段是相对应的，为其在红外探测领域的应用提供了依据。红外探测器是一种能够将红外光信号转换为电信号的装置，而探测器的核心是其中的光电材料，当材料的厚度减薄到原子级，二维原子晶体呈现出光与物质较强的相互作用、优异的机械柔韧性和易于多功能集成等优点，特别是当传统的多晶材料变为单晶材料时，单一的晶体取向和更好的结晶质量，使其成为未来光电探测器领域最有潜力的一类材料。

要实现其在光电器件上的应用，制备高质量、大尺寸的二维碲化铋单晶片是重要的前提，而实现这种单晶片的形状可控，则可以更好的满足器件制备的需要。化学气相沉积法(CVD)是一种制备高纯度、高性能固态材料的化学方法，被广泛应用于工业生产中半导体材料的制备，但是通过CVD法来制备空间群为R-3m的层状M₂X₃化合物的这一工艺却不是很完善，在生长大尺寸单晶片方面仍有较大空白。以往的研究中，受限于生长过程的机理复杂导致衬底表面副产物较多等问题，在云母等衬底上很难生长得到大尺寸的二维碲化铋单晶片，也无法做到形貌可控。因此发展新的制备方法去获得高质量、大尺寸和形貌可控的二维碲化铋单晶片对于实现其器件应用尤为重要。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的二维碲化铋单晶片制备过程中副产物较多的问题，提供一种高品质、大尺寸和形貌可控的二维碲化铋单晶片的CVD制备方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种二维碲化铋单晶片的CVD制备方法，所述方法步骤为：

步骤一：将Bi₂Te₃源放在石英舟中，石英舟位于石英管中部位置，同时将衬底放置在石英舟下游，将石英管放置在单温区滑轨管式炉的中央，放置好后移开单温区滑轨管式炉，使Bi₂Te₃源在单温区滑轨炉加热区域之外；

步骤二：密封石英管并开始抽取真空，然后通入载气至一定压强；

步骤三：设置升温程序，随后立即滑动单温区滑轨管式炉，恢复至原位并保温；

步骤四：程序结束后，再次快速将单温区滑轨管式炉移开，随后关闭载气，冷却至室温。

进一步地，步骤一中，所述Bi₂Te₃源为0.1～2g纯度99.9～99.999％的Bi₂Te₃粉末。

进一步地，步骤一中，所述衬底为新鲜剥离的云母或洗净的硅片、硅/二氧化硅(氧化层50～500nm)、蓝宝石或钛酸锶中的一种。

进一步地，步骤一中，所述Bi₂Te₃源与衬底两者相距10～25cm。

进一步地，步骤二中，所述载气指5～120sccm的Ar气或H₂/Ar混合气，其中H₂/Ar混合气中氢气体积占比为0.1～8％。