[發(fā)明專利]一種鍺烯二維原子晶體材料及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310565943.4
• 申請日: 2013-11-14
• 公開（公告）號: CN103643287A
• 公開（公告）日: 2014-03-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王業(yè)亮;李林飛;高鴻鈞
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院物理研究所
• 主分類號: C30B23/02
• 分類號: C30B23/02;C30B33/02;C01G17/00
• 代理公司: 北京和信華成知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11390
• 代理人: 胡劍輝

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種鍺烯二維原子晶體材料及其制備方法，屬于納米材料技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

二維原子晶體材料因其單原子厚度的平面晶體結(jié)構(gòu)，豐富和獨(dú)特的物理，化學(xué)特性以及潛在的巨大應(yīng)用價(jià)值成為近年來世界科技界的研究熱點(diǎn)。其中，石墨烯自2004年被成功剝離后成為新型二維原子晶體材料的焦點(diǎn)和代表。

石墨烯表現(xiàn)出來的一系列奇特的電子和物理特性，如高遷移率、高光透率、高導(dǎo)電性等，在微電子學(xué)、微納米器件、透明導(dǎo)電膜、高效轉(zhuǎn)換電池等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景。石墨烯的研究熱潮激發(fā)了人們對其他新型二維原子晶體材料（非碳基、類石墨烯結(jié)構(gòu)）的探索和研究熱情。

例如，鍺烯，作為石墨烯的鍺基對應(yīng)物，已有理論預(yù)言其存在的可能性和類似于石墨烯的優(yōu)異性能。其他類石墨烯結(jié)構(gòu)的二維晶體材料，如硅烯，氮化硼，二硫化鉬等都表現(xiàn)出了許多優(yōu)異的物理特性。

在當(dāng)今微電子學(xué)面臨物理尺寸極限之時(shí)，這些以石墨烯為代表的新型二維平面材料的開發(fā)和應(yīng)用有望融合當(dāng)前的微電子硅基技術(shù)，突破大規(guī)模集成電路遇到的瓶頸問題，為我國基礎(chǔ)科學(xué)、信息科學(xué)、材料科學(xué)、能源科學(xué)等研究領(lǐng)域提供新的機(jī)遇與平臺，對國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展以及國防安全的高科技化產(chǎn)生重大而深遠(yuǎn)的影響。

發(fā)明內(nèi)容

鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種鍺烯二維原子晶體材料及其制備方法，能夠生長出一種新型的二維原子晶體材料，這種新材料表現(xiàn)為二維有序、鍺原子成六角蜂窩狀排布的二維周期性結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明提供了一種鍺烯二維原子晶體材料，鍺原子成六角蜂窩狀排布，并在二維平面內(nèi)周期性擴(kuò)展。

本發(fā)明提供了一種鍺烯二維原子晶體材料的制備方法，其步驟包括：

1）在真空環(huán)境下，將適量鍺蒸發(fā)沉積到過渡金屬基底上；

2）對整個(gè)樣品進(jìn)行退火處理，以使覆蓋在基底表面的鍺發(fā)生相互作用，形成六角蜂窩狀分布的二維有序的周期性結(jié)構(gòu)。

上述所用的鍺是通過電子束蒸發(fā)的方法沉積到過渡金屬基底上的。

上述用于生長鍺烯二維原子晶體材料的過渡金屬基底為鉑的（111）面。

上述進(jìn)行鍺烯二維原子晶體材料生長的退火溫度為350℃～500℃，優(yōu)選為400℃。

上述鍺烯二維原子晶體材料形成了周期為1.2nm的超結(jié)構(gòu)，該周期性結(jié)構(gòu)可以被掃描隧道顯微鏡和低能電子衍射儀所表征。

本發(fā)明通過外延方法生長高質(zhì)量的鍺烯二維原子晶體材料，鍺烯原子成六角蜂窩狀排布，并在二維平面內(nèi)擴(kuò)展，便于進(jìn)一步研究鍺烯二維原子晶體材料的電子性質(zhì)及相關(guān)器件開發(fā)。這種鍺烯二維晶體材料不同于石墨烯，比石墨烯具有更強(qiáng)的自旋軌道耦合，為研究二維體系中新的量子現(xiàn)象和電子行為提供了全新的平臺，所以這種新型二維原子晶體材料也可應(yīng)用于自旋電子學(xué)及器件研究。

附圖說明

以下，結(jié)合附圖來詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施方案，其中：

圖1示出了本發(fā)明的整體制備過程效果示意圖；

圖2示出了本發(fā)明中在鉑的（111）表面沉積的高覆蓋度鍺顆粒的掃描隧道顯微鏡圖像；

圖3示出了本發(fā)明中在鉑的（111）面上制備的高質(zhì)量鍺烯二維原子晶體材料的掃描隧道顯微鏡圖像；

圖4示出了本發(fā)明中樣品400℃退火處理后制得的鍺烯二維原子晶體材料的低能電子衍射圖案，包括基底鉑和鍺烯二維原子晶體材料超結(jié)構(gòu)的衍射斑點(diǎn)；

圖5示出了本發(fā)明中在鉑的（111）面上制備的高質(zhì)量鍺烯二維原子晶體材料的掃描隧道顯微鏡放大圖像以及對應(yīng)的原子結(jié)構(gòu)模型。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對鍺烯二維原子晶體材料的制備方法作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。此實(shí)施例僅僅是用于更詳細(xì)具體地說明此發(fā)明之用，而不應(yīng)用于以任何形式限制本發(fā)明。

本實(shí)施例在過渡金屬表面制備高質(zhì)量的鍺烯二維原子晶體材料。具體步驟為：首先在真空腔內(nèi)對鉑單晶進(jìn)行十幾次氬離子濺射，然后通過將鉑基底加熱并保持在900℃，高溫退火得到干凈平整的（111）晶面。本發(fā)明的整體制備過程效果示意圖如圖1所示。上部分圖示出了本發(fā)明中在鉑的（111）表面沉積的高覆蓋度的鍺顆粒；下部分圖示出了本發(fā)明中樣品退火處理后在鉑的（111）表面生長出的鍺烯二維原子晶體材料。

之后在干凈平整的鉑表面，通過電子束蒸發(fā)源將鍺均勻沉積其上，基底保持在室溫。鍺在襯底表面呈無規(guī)則分布，如圖2的掃描隧道顯微鏡圖像所示。