[發明專利]一種石墨烯二維異質結柔性器件結構及其制備方法

有效

• 申請號: 201810896321.2
• 申請日: 2018-08-08
• 公開（公告）號: CN109285891B
• 公開（公告）日: 2021-12-07
• 發明（設計）人: 白宇;趙東輝;周鵬偉
• 申請（專利權）人: 福建翔豐華新能源材料有限公司
• 主分類號: H01L29/786
• 分類號: H01L29/786;H01L21/34;B82Y10/00
• 代理公司: 廈門市新華專利商標代理有限公司 35203
• 代理人: 吳成開;徐勛夫

本發明公開一種石墨烯二維異質結柔性器件結構及其制備方法，以聚合物承載石墨烯薄膜，石墨烯薄膜與二維半導體薄膜構成異質結，采用碳材料或金屬材料作為電極形成必要的導電接觸，采用氧化物、氮化物或金剛石材料作為絕緣層形成晶體管器件柵極。通過以聚合物承載石墨烯薄膜，并利用范德華力剝離的方法制備器件，工藝簡單，設備成本低，所制備的器件覆蓋面積可以達到厘米量級，厚度小至納米量級，可用于構建柔性半導體器件，包括邏輯電路、太陽能電池、光探測器和氣體探測器等器件。

技術領域

本發明涉及納米電子器件領域技術，尤其是指一種石墨烯二維異質結柔性器件結構及其制備方法。

背景技術

半導體材料和器件在人類的生產和生活中發揮了至關重要的作用，可以用于集成邏輯電路，存儲芯片，光伏發電，光傳感器和氣體傳感器等領域。技術的發展，使得人們對半導體器件的集成度提出了越來越高的要求，需要不斷減小半導體器件的特征尺寸，制備納米尺寸的電子器件。此外，制備輕便和柔性可彎曲的電子器件是另一個重要發展方向，將推動便攜設備和可穿戴設備的商業化應用。傳統的半導體器件基于晶體硅等塊體半導體材料制造，隨著器件設計尺寸的不斷減小，塊體半導體材料的比表面積增加，材料表面的懸掛鍵會造成器件的漏電流和功耗上升，表面化學反應也會導致器件工作穩定性下降。另外，塊體半導體本身具有脆性，難以作為制造柔性電子器件的材料。

二維材料是一類新興的電子器件材料，包括石墨烯、黑磷、過渡金屬硫化物等。石墨烯是最早發現的二維材料，具有載流子遷移率高，導電性強，透光率高，力學強度高等特點。黑磷和過渡金屬硫化物具有0-3eV的禁帶寬度，有希望作為半導體器件的溝道材料。相比于塊體半導體材料，二維材料的優勢在于其表面沒有懸掛鍵，不存在表面積增加造成的漏電流問題。另外，二維材料可以自由彎曲，內部有較強的共價鍵合能夠承受較大的拉伸。

目前，基于石墨烯的二維電子器件的制備仍然很困難，極少數文獻報道了在硬質基底（如硅片）表面制備的二維電子器件，其中方法不能實現大面積器件的批量制備和柔性器件的制備。

發明內容

有鑒于此，本發明針對現有技術存在之缺失，其主要目的是提供一種石墨烯二維異質結柔性器件結構及其制備方法，其能有效解決現有之石墨烯的二維電子器件制備困難的問題。

為實現上述目的，本發明采用如下之技術方案：

一種石墨烯二維異質結柔性器件結構，以聚合物承載石墨烯薄膜，石墨烯薄膜與二維半導體薄膜構成異質結，采用碳材料或金屬材料作為電極形成必要的導電接觸，采用氧化物、氮化物或金剛石材料作為絕緣層形成晶體管器件柵極。

作為一種優選方案，所述聚合物為聚乙烯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯或聚二甲基硅氧烷，又或者是上述聚合物中兩種或兩種以上的混合物或共聚物。

作為一種優選方案，所述聚合物的厚度為100nm-1cm。

作為一種優選方案，所述二維半導體薄膜為黑磷、二硫化鉬、二硫化鎢、二硫化釩、二硫化鈮、二硫化鉭、二硫化鈦、二硫化鋯、二硫化鉿、二硫化鉑、二硫化鈀、二硒化鉬、二硒化鎢、二硒化釩、二硒化鈮、二硒化鉭、二硒化鈦、二硒化鋯、二硒化鉿、二硒化鉑、二硒化鈀、二碲化鉬、二碲化鎢、二碲化釩、二碲化鈮、二碲化鉭、二碲化鈦、二碲化鋯、二碲化鉿、二碲化鉑、二碲化鈀或二硫化錫。

作為一種優選方案，所述二維半導體薄膜厚度為0.1nm-100nm。

一種石墨烯二維異質結柔性器件結構的制備方法，包括有以下步驟：

(1) 以聚合物作為基底，承載大面積石墨烯薄膜，得到聚合物/石墨烯復合薄膜；

(2) 將聚合物/石墨烯復合薄膜的石墨烯一側貼緊二維半導體薄膜，對聚合物層施加壓力，使石墨烯薄膜與二維半導體薄膜充分接觸；