[发明专利]一种精确控制层状材料内粒子扩散和/或插层位置的方法

说明书

本发明属于电子材料制造领域，公开了一种精确控制层状材料内粒子扩散和/或插层位置的方法，对于二维材料上待进行粒子扩散和/或插层的目标区域，首先在二维材料内引入应力形变，使目标区域与非目标区域的边界线与引入应力形变的位置相重合；然后，在二维材料上形成保护层并设置暴露窗口；接着，使粒子由暴露窗口扩散至二维材料中，并限制在目标区域中，从而实现对扩散和/或插层位置的精确控制。本发明通过在目标扩散和/或插层区域的边界位置额外引入应力，使材料产生局域形变导致层间距变小，提升扩散能垒，从而精确限制粒子扩散位置，能够有效解决层状材料内粒子扩散插层时位置难以精确控制的问题。

技术领域

本发明属于电子材料制造领域，更具体地，涉及一种精确控制层状材料内粒子扩散和/或插层位置的方法，可应用于依赖于粒子扩散和/或插层控制材料物理、化学特性的各种场景。

背景技术

层状材料具有层状晶体结构，其在层内以共价键或离子键结合，而在层间则以弱范德华力耦合。典型的层状材料包括石墨烯、过渡金属硫族化合物、黑磷等等，具有丰富的物理、化学特性，是极为重要的能源材料和电子材料。在锂离子电池中，人们利用石墨良好的导电性和层状结构制作电极材料，供锂离子在其中嵌入、脱出【Nature Communications,2019,10(1):275.】。在层状材料较大的层间通道插入异质原子、离子或分子等粒子，也已成为调控其材料功能特性的重要方法，可通过异质粒子特性赋予其相变、磁性、电荷密度波、光学偏振等新性质。例如，在半导体相H-MoS₂中进行锂插层，可以使其转变为1T’金属相，以其为接触材料制造原子层厚的MoS₂晶体管，实现了约200ohm/um的接触电阻【NatureMaterials,2014,13(12):1128-1134.】，是目前报道的最小值。在离子插层的基础上，利用电场驱动离子在层间迁移【Advanced Materials,2018,30(21):1800195.】【NatureMaterials,2019,18(2):141-148.】，还可以进一步丰富器件特性，制作人工突触等器件。而在SnS₂等二维材料中进行Co、Cu原子插层【Nature Nanotechnology,2018,13(4):294-299.】，则被证明可以调控层状材料导电类型，制备二极管等基本的电子元器件。

对层状材料内粒子插层浓度和位置的精确控制是应用插层材料的基础，也是当前各类粒子插层所面临的关键共性问题。此前，为了在器件制备时控制异质粒子插层位置，常用方法是利用保护层方法保护非插层区域，这一方法利用光刻等工艺制备图案，仅将待插层区域暴露出来。例如，在以锂离子插层制备1T’金属相MoS₂接触时，以PMMA作为保护层【Nature Materials,2014,13(12):1128-1134.】，而在SnS₂中插入Co、Cu原子时，采用金属Zn、Al作为保护层【Nature Nanotechnology,2018,13(4):294-299.】。然而，由于层状材料在各分子层之间存在范德华间隙，而层内原子通过化学键连接，并不存在范德华间隙。所以在层间方向和其垂直于原子层方向上具有显著的各向异性，异质粒子难以从二维材料上表面向下穿过各原子层移动，更倾向于由边缘沿层间范德华间隙向内扩散或迁移，使粒子插层也主要从暴露的材料边缘进行【Nanoscale,2020,12(23):12541-12550.】【NanoLetters,2015,15(10):6777-6784.】。这一特性使简单的表面图案化方法难以达到插层位置的精确控制和均一插层效果。此外，受层间粒子各向异性扩散通道、能垒等因素影响，粒子由边缘向内部迁移、插层时难以控制插层界面，所获得的粒子分布常呈现出渐进式梯度形式【Scientific Reports,2021,11(1):9014.】。众多因素的叠加影响，使针对层状材料的插层控制，尤其是插层位置难以精确，严重限制了其应用前景。例如，应用锂离子插层诱导的1T’金属相MoS₂制作纳米级窄沟道晶体管接触时，锂离子的短距离扩散进入半导体功能层即可能引起器件失效。

发明内容