一種二維納米SnSe2晶體材料的制備方法技術

本發明專利技術公開了一種二維納米SnSe2晶體材料的制備方法，采用化學氣相沉積法用單質硒和鹵化錫在襯底上沉積所需厚度的SnSe2晶體；其中，沉積設備為水平管式爐，順序設有上游低溫區、中心溫區以及下游低溫區，所述單質硒和鹵化錫分別獨立但緊靠放置于上游低溫區，所述襯底放置于下游低溫區；利用不同溫區的溫度差，單質硒蒸汽和鹵化錫蒸汽形成于上游低溫區；兩者反應生成SnSe2，并通過沉積載氣帶入下游溫區，在襯底上沉積成為二維納米SnSe2晶體材料。利用本發明專利技術方法，制備出了厚度均勻形態一致的二維納米SnSe2晶體材料，厚度為3～10個原子層(1～3層SnSe2的厚度)，在電子器件的應用中具有廣闊前景。

【技術實現步驟摘要】
一種二維納米SnSe2晶體材料的制備方法
本專利技術屬于納米半導體材料領域，更具體地，涉及一種二維納米SnSe2晶體材料的制備方法。
技術介紹
石墨烯的發現極大地推動了二維材料的研究，僅幾個原子厚度的材料，就能有非常不同的基本特性(Science2004,306,666-669)。很多科研工作者隨即開發出該物質的許多應用特性，從制作可彎曲屏幕到能源儲存。然而，石墨烯帶隙為零，用石墨烯做成的晶體管無法關斷，這在一定程度上限制了它在光電子器件以及數字電子器件中的應用(NaturePhotonics2013,7,888-891)。對于這一領域而言，理想材料是半導體。雖然也有很多關于對石墨烯進行改性的方法使其帶隙變為可以調控，但是都遇到了工藝復雜，成本昂貴的問題，不適合應用于普遍的半導體微納器件領域。然而在石墨烯制備方面獲得的成功經驗激勵了研究人員探索可替代的半導體二維材料(AdvancedMaterials2014,26,2648–2653；ACSNano.2015,9,2740-2748)?，F在也有很多類石墨烯的二維材料被眾多學者們所關注，尤其是過渡金屬硫化物(ACSNano2012,6,74-78)以及現在逐漸引起人們注意的Ⅲ-Ⅵ族二維材料如GaSe(ACSNano2014,8,1485-1490)，InSe(AdvancedMaterials2014,26,6587-6593)，GaS(Nanoscale2014,6,2582-2587)等。與這些二維材料相比，Ⅳ-Ⅵ族的二維材料其組成元素在地殼中分布廣泛，含量豐富，且價格低廉，因此更具應用前景。其中，二硒化錫(SnSe2)，作為一種最重要的Ⅳ-Ⅵ族材料。由于硒和錫兩種元素在地殼中含量豐富，且相比已經發現的二維晶體材料如二硫化鉬(MoS2)，二硒化錫對環境和生物體危害較小，在微納電子學和微納光電子學中的應用潛力巨大。但是現今利用二硒化錫二維層狀材料制作的光電子器件鮮有報道，主要受制于高質量大面積二硒化錫二維材料的合成技術難題。如何便宜地制造均一、無缺陷的薄層已經成為所有二維材料實用化均需解決的一個重要問題?！罢硯Х椒ā蹦芎芎玫剡m用于過渡金屬硫化物，但卻耗費時間。而且如何獲得單晶塊狀二硒化錫的方法尚不成熟，導致該方法成本較高?；瘜W剝離方法可以產生幾克的亞微米大小的多層物質，但所獲得的產品的晶體結構和電子結構都發生了改變。采用自下而上的合成方法，例如水熱合成可以獲得二硫化鉬二維結構，但同樣因為液體環境導致產物尺寸小且性能發生改變。另一種自下而上的方式是氣相沉積技術，已經在一些材料中(例如二硫化鉬和二硒化鎢)獲得幾個原子層厚度的二維納米晶體材料(Naturenanotechnology2012,7,699-712)，但是生長過程中需要極高的溫度才能將前驅體蒸發，能耗較高。
技術實現思路
針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本專利技術提供了一種二維納米SnSe2晶體材料的制備方法，其目的在于通過材料的選擇和反應條件的優化，沉積出分布均勻的二維納米SnSe2晶體材料。為實現上述目的，按照本專利技術的一個方面，提供了一種二維納米SnSe2晶體材料的制備方法，其特征在于，反應區域在水平方向分為上游低溫區、中心溫區以及下游低溫區；通過控制中心溫區的溫度，以及利用中心溫區與上下游低溫區的溫差，使硒源和錫源蒸汽形成于上游低溫區，并通過載氣先帶入中心溫區反應生成SnSe2，再帶入下游低溫區在襯底上沉積成為二維納米SnSe2晶體材料；通過控制反應時間，可以制備所需厚度的SnSe2晶體；所述硒源和錫源分別為單質硒和鹵化錫，分別獨立放置于上游低溫區。優選地，反應設備采用水平管式爐。優選地，反應過程中，所述中心溫區的反應溫度為500℃～800℃，SnSe2在襯底上的沉積溫度為250℃～420℃；硒源和錫源在上游溫區的蒸發溫度為200～350℃。優選地，反應區域內的壓強小于等于一個大氣壓。作為進一步優選地，反應區域內的壓強等于一個大氣壓。優選地，所述載氣由體積比為10％～30％的H2以及體積比為70％～90％的惰性氣體或N2組成。作為進一步優選地，所述載氣中H2的體積比為20％。優選地，所述載氣的流量為20sccm～200sccm。優選地，反應前先將反應區域預抽真空，然后充入惰性氣體、N2或載氣，反復洗氣直至排凈空氣。優選地，反應后繼續向反應區域內充入載氣，直至產物冷卻至室溫。優選地，所述襯底為云母、絕緣硅、藍寶石或石英片。作為進一步優選地，所述襯底為云母。優選地，所述硒單質為硒粉。按照本專利技術的另一方面，還提供了一種以該方法制備的二維納米SnSe2晶體材料，其特征在于，形狀為三角形，厚度為3～10個原子層，即1～3層SnSe2?？傮w而言，通過本專利技術所構思的以上技術方案與現有技術相比，具有以下有益效果：1、選擇硒單質和鹵化錫分別作為硒源和錫源，降低了反應溫度，減小了能耗，實現了制備過程的可控；2、襯底、硒源和錫源與中心溫區保持一定距離，避免了襯底被破壞以及生成反應副產物；3、載氣含有一定比例的氫氣，避免了硒源被氧化；4、按本專利技術方法制備的二維納米SnSe2晶體材料表面平整，Se和Sn分布均勻，厚度為3～10個原子層，在電子器件的應用中具有廣闊前景。附圖說明圖1是實施例1中制備二維納米SnSe2晶體材料的裝置示意圖；圖2是實施例1-7制備的晶體材料形貌俯視圖；圖3是實施例1制備的晶體材料厚度的測量；圖4是實施例1制備的晶體材料的元素成分分析；圖5是實施例1制備的晶體材料的晶體結構表征。具體實施方式為了使本專利技術的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本專利技術進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本專利技術，并不用于限定本專利技術。此外，下面所描述的本專利技術各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。實施例1圖1是按照本專利技術的一種制備二維納米SnSe2晶體材料的方法實驗裝置剖視圖。沉積設備采用水平管式爐，管長80cm，中心溫區范圍10cm，溫度設置為600℃，升溫速率20℃/分鐘。采用硒粉(Se)(≥99.99％)作為硒源，選用二碘化錫(SnI2)(>99％)作為錫源，并且這兩種物質獨立緊靠放置(不是混合)放置在中心溫區上游距離16cm處。直接采用市售的云母作為襯底，放置在下游距離15cm處接收產物。在反應前先進行預抽真空至10Pa左右，然后充入600sccmAr至大氣壓，并反復洗氣至少3次，以排除殘余氧氣。反應過程中通入Ar(20sccm)和H2(5sccm)的混合氣并且保持壓強為一個大氣壓。反應時間為10分鐘，反應結束后載氣保持不變，產物隨爐冷卻至室溫，云母襯底收集產物得到二維納米SnSe2晶體材料。實施例2以所述的相同步驟重復實施例1，區別在于，反應過程中通入Ar(14sccm)和H2(6sccm)的混合氣并且保持壓強為10Pa，反應時間為5分鐘。實施例3以所述的相同步驟重復實施例1，區別在于，中心溫區的溫度設置為500℃，升溫速率10℃/分鐘，反應時間為15分鐘。實施例4以所述的相同步驟重復實施例1，區別在于，中心溫區的溫度設置為650℃，升溫速率20℃/分鐘，反應時間為15分鐘。實施例5以所述的相同步驟重復實施例1，區別本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種二維納米SnSe2晶體材料的制備方法，其特征在于，反應區域在水平方向分為上游低溫區、中心溫區以及下游低溫區；通過控制中心溫區的溫度，以及利用中心溫區與上下游低溫區的溫差，使硒源和錫源蒸汽形成于上游低溫區，并通過載氣先帶入中心溫區反應生成SnSe2，再帶入下游低溫區在襯底上沉積成為二維納米SnSe2晶體材料；所述硒源和錫源分別為單質硒和鹵化錫，分別獨立放置于上游低溫區。

【技術特征摘要】
1.一種二維納米SnSe2晶體材料的制備方法，其特征在于，反應區域在水平方向分為上游低溫區、中心溫區以及下游低溫區；通過控制中心溫區的溫度，以及利用中心溫區與上下游低溫區的溫差，使硒源和錫源蒸汽形成于上游低溫區，并通過載氣先帶入中心溫區反應生成SnSe2，再帶入下游低溫區在襯底上沉積成為厚度為3～10個原子層的二維納米SnSe2晶體材料；所述硒源和錫源分別為單質硒和鹵化錫，分別獨立放置于上游低溫區；所述載氣由體積比為10％～30％的H2以及體積比為70％～90％的惰性氣體或N2組成。2.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述中心溫區的反應溫度為500℃～800℃，SnSe2在襯底上的沉積溫度為250℃～420℃...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張騏，周興，甘霖，翟天佑，
申請(專利權)人：華中科技大學，
類型：發明
國別省市：湖北;42