[發(fā)明專利]一種簡單的膜厚可調(diào)控的黑磷薄膜制備方法

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• 申請日: 2017-05-23
• 公開（公告）號: CN107268017A
• 公開（公告）日: 2017-10-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙艷;黃杰
• 申請（專利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: C25B7/00
• 分類號: C25B7/00
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司11203
• 代理人: 劉萍

一種簡單的膜厚可調(diào)控的黑磷薄膜的制備方法屬于二維材料納米體系制備調(diào)控領(lǐng)域，本發(fā)明是采用超聲輔助液相剝離的方法，先于異丙醇溶液中制備出黑磷量子點(diǎn)。其特征為所述的黑磷量子點(diǎn)尺寸為5?50nm。隨后利用電泳法，陰極連接1cm*2cm尺寸的硅片，陽極連接石墨片電極。通過控制電泳電壓，電泳時(shí)間，反應(yīng)液濃度的方法，控制黑磷薄膜的生長，膜厚范圍從9nm到3um。該方法操作簡單，高效，綠色環(huán)保，得到穩(wěn)定且均勻度高的不同厚度的黑磷薄膜。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于二維材料體系制備調(diào)控領(lǐng)域，設(shè)計(jì)一種簡單的膜厚可調(diào)控的黑磷薄膜制備方法。

背景技術(shù)

黑磷作為一種新型的二維材料因其所具有的良好電學(xué)與光電特性，已經(jīng)受到科研工作者的廣泛關(guān)注。黑磷屬于雙極性的窄帶隙的半導(dǎo)體，其帶隙為直接帶隙，單層黑磷的帶隙為1.7eV而多層黑磷的帶隙為0.3eV；通過研究常溫下薄層黑磷晶體的光致發(fā)光特性，確定了單雙層黑磷晶體分別位于1.65eV和2.15eV的熒光峰，佐證了黑磷晶體從紅外和可見光區(qū)域的寬帶隙調(diào)控能力。

目前，最常用的制備黑磷薄膜的方法有以下幾種：

1.自上而下制備方法

(1)微機(jī)械剝離法

原子層厚二維材料能夠通過解離塊體單晶材料得到不同層厚的樣品，這種用膠帶從塊體樣品上粘下一片并反復(fù)剝離的方法稱為微機(jī)械剝離法。這種方法行之有效的根本原因是二維材料的層與層之間范德華耦合作用力較弱，而層內(nèi)共價(jià)鍵作用很強(qiáng)，從而可以通過合適的外力在層間解離。機(jī)械剝離的方法得到的樣品質(zhì)量很高，表面潔凈，樣品適合用于材料特性和器件等方面的基礎(chǔ)研究。但是，微機(jī)械剝離法得到的樣品尺寸較小，制備效率低下，樣品的質(zhì)量尺寸和層厚難于控制，因?yàn)橛兄黠@的局限性，很難應(yīng)用于大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化研究。

(2)液相剝離法

液相剝離法是自上而下制備方法中能得到大量樣品的途徑，這種方法主要通過液相分散介質(zhì)分散晶體粉末樣品，通過超聲等手段提供外部作用力，從而得到大量的原子層厚的樣品。通過選用不同的分散介質(zhì)溶液或者在分散劑中添加修飾劑，可以對剝離的樣品表面進(jìn)行修飾和改性，從而得到不同性質(zhì)的材料。這種方法的缺點(diǎn)是樣品質(zhì)量不可控，所得樣品中各層數(shù)分布不均，樣品質(zhì)量和尺寸較差，一般用于化學(xué)改性方面的研究。

液相剝離法能大量得到原子層厚的微米級樣品，但是由于制備過程中與各種化學(xué)試劑的作用，使得樣品的表面被大量的化學(xué)基團(tuán)吸附修飾，層內(nèi)也被引入大量的缺陷，以此得到的樣品的結(jié)構(gòu)和光電特性與本征樣品有著很大的差異。

液相剝離法的主要優(yōu)點(diǎn)是能大量得到單層的二維晶體材料，并且用過靈活選擇分散劑，在二維材料的性能調(diào)控上也有獨(dú)特的優(yōu)勢。但是一些化學(xué)試劑的使用需要在活性氣體保護(hù)下進(jìn)行，并且對不穩(wěn)定的晶體樣品的適用性較弱，得到樣品的隨機(jī)性和不可控性也使這種方法在能源、催化等領(lǐng)域具備更高的應(yīng)用。

2.自下而上制備方法

自上而下制備方法在規(guī)模化、可控性和樣品均一性上存在不盡如人意的方面，因而發(fā)展一種能大面積、可控制備均一的高質(zhì)量樣品是二維材料真正走向應(yīng)用的關(guān)鍵。

(1)化學(xué)氣相沉積

化學(xué)氣相沉積(ChemicalVaporDeposition，CVD)法是一種制備高質(zhì)量半導(dǎo)體薄膜晶體材料的常見方法，指反應(yīng)物在氣態(tài)狀態(tài)條件下通過氧化還原反應(yīng)，生成固態(tài)物質(zhì)并沉積在襯底或者催化劑的表面。這種方法可以得到大量大面積的薄膜樣品，但是難以控制晶粒尺寸和樣品的均一性。

(2)物理氣相沉積

物理氣相沉積與化學(xué)氣相沉積最顯著的區(qū)別就是不需要經(jīng)歷氧化還原過程，只經(jīng)過蒸發(fā)沉積的物理過程，這種方法適用于升華溫度較低的過渡金屬硫化物等化合物二維材料體系。

3.其他輔助方法

(1)激光刻蝕