[發明專利]一種黑磷單晶片的制備方法

在審

• 申請號: 202010189798.4
• 申請日: 2020-03-18
• 公開（公告）號: CN113493929A
• 公開（公告）日: 2021-10-12
• 發明（設計）人: 喻學鋒;喻彬璐;王佳宏
• 申請（專利權）人: 深圳市中科墨磷科技有限公司;深圳先進技術研究院
• 主分類號: C30B29/02
• 分類號: C30B29/02;C30B25/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開一種黑磷單晶片的制備方法，該方法涉及大尺寸二維單晶材料生長方面。制備方法是將磷源、催化劑按照一定質量比例加入密封反應器中，再進行燒結，最終得到大尺寸黑磷單晶片。本方法獲得的黑磷單晶片水平尺寸可達厘米級，片狀結構完整性高，且成功實現單晶片之間分散成核生長，不互相粘連，能夠獲得高質量無損單晶黑磷單晶片，有利于下游應用。

技術領域

本發明涉及新型二維單晶材料的生長，具體涉及一種大尺寸高質量黑磷單晶片的制備方法。

背景技術

大尺寸單晶材料一直在國民經濟發展中扮演著舉足輕重的地位。隨著單晶材料尺寸的增大，會快速推動一個行業的發展，其中最為突出的材料便是硅，單晶硅從以前的四英寸擴大到如今的十八英寸，極大的延續了集成電路的蓬勃發展。黑磷作為一個新型二維半導體材料，由于高載流子遷移率和開關比，它在晶體場效應管表現出優異的性能，并且黑磷在光電催化、能源存儲、柔性器件、生物制劑等領域也展現出巨大的應用前景。多種磷的同素異形體在大氣環境中都不穩定，且個別物質還是劇毒，而黑磷卻表現出室溫穩定無毒特性，易于加工，因此科研界和產業界都十分看好黑磷的發展前景。

目前高壓法、鉍重結晶法、機械球磨法這些已報道的黑磷制備方法都無法得到大尺寸黑磷單晶片。同時經典的化學氣相輸運法利用紅磷、單質錫、四碘化錫作為反應原料，無法有效調控黑磷晶體生長形態，得到的黑磷晶往往聚集在一起，長成簇狀，無法得到高質量大尺寸黑磷單晶片。

黑磷作為一個新興的半導體二維材料，在場效應晶體管中表現出優異的性能，被科研界和工業界認為是一種極具潛力的芯片基材。而熟知的工業級芯片基材——單晶硅最大已經達到十八英寸，而目前尚沒有相關專利文獻報道過能夠有效調控黑磷晶體長成片狀結構的方法，長成厘米級、晶圓級黑磷單晶片目前只是一種愿景，要想進一步推動黑磷在半導體行業的實用化，發展生長大尺寸黑磷單晶片方法刻不容緩。

發明內容

本發明的目的是，提供一種有效調控黑磷生長成具有特定片狀結構的制備方法。黑磷單晶片的成核生長方式明顯不同于經典化學氣相輸運法制備的黑磷晶體，黑磷單晶片成核點集中，新催化劑作用下反應勢壘大大降低，從而能得到大尺寸黑磷單晶片。而經典化學氣相輸運法制備的黑磷晶體成核點分散，形態往往形成團狀或簇狀。該方法得到的黑磷單晶片形貌均一、水平尺寸可達厘米級。

本發明提供一種黑磷單晶片的制備方法，包括兩個步驟：催化劑制備以及磷源同催化劑反應，從而得到黑磷單晶片。

具體的，所述催化劑為SnIP三元化合物，所述催化劑制備具體如下：將反應原料按照SnIP三元化合物化學計量比稱取并充分混合均勻，然后加入石英管中抽真空密封，置于馬弗爐中在300℃～520℃下處理2～96h得到SnIP三元化合物。

進一步的，所述SnIP三元化合物的制備原料為單質錫、單質磷兩原料與碘單質、碘化亞錫或四碘化錫的組合。

具體的，所述磷源同催化劑反應包括以下具體步驟：

1)將磷源和催化劑按照一定質量比例加入到密封反應器中；

2)把反應器置于加熱裝置在一定溫度下燒結一定時長，最終得到黑磷單晶片。

具體的，所述步驟1)中所述磷源為紅磷或黃磷，原料狀態優選顆粒或塊狀。

具體的，所述磷源和催化劑的質量比例為(40～0.5):1。

具體的，所述密封反應器為陶瓷管、不銹鋼管或熔封的石英管。

具體的，所述步驟2)中加熱裝置為單溫區管式爐、多溫區(雙溫區及以上)管式爐、馬弗爐、箱式爐、微波爐或單晶爐中的一種。

具體的，所述燒結溫度為420℃～550℃，燒結時長2～120h。

上述任一項所述的黑磷單晶片的制備方法得到的黑磷單晶片，可以應用于柔性器件、傳感器、微電極、光電催化、電池和晶體場效應管。