[發明專利]一種大尺寸具有層間轉角的二維單晶疊層的制備方法

有效

• 申請號: 202110372541.7
• 申請日: 2021-04-07
• 公開（公告）號: CN113186595B
• 公開（公告）日: 2022-06-03
• 發明（設計）人: 劉開輝;劉燦;王卿赫;龔德煒
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: C30B25/18
• 分類號: C30B25/18;C30B29/68;C30B33/06;C30B29/02;C30B29/40
• 代理公司: 北京德崇智捷知識產權代理有限公司 11467
• 代理人: 王欣

本發明提供了一種大尺寸具有層間轉角的二維單晶材料疊層的制備方法，涉及轉角石墨烯及其它具有特定轉角的二維單晶疊層制備方法。其主要特征為將單晶襯底進行堆疊并旋轉特定角度，并在其表面外延二維單晶材料，隨后將上下層二維單晶材料進行帖合，除去表面一層單晶襯底即可獲得具有特定轉角的二維單晶疊層。本發明提出的方法，解決了制備轉角二維疊層時界面不潔凈、疊層尺寸小、操作復雜等問題。通過非常簡單的方法，實現了轉角可控的大尺寸二維單晶疊層的快速制備。

技術領域

本發明涉及材料技術領域，具體涉及一種大尺寸具有層間轉角的二維單晶疊層的制備方法。

背景技術

二維材料種類豐富，涵蓋了導體、半導體、絕緣體、磁體等豐富的體系。由于其原子和電子都被限制在二維平面內，二維材料展現出了許多奇特的性質。以石墨烯為例，由于其獨特的結構以及原子結合方式，單晶石墨烯具有一系列的優良性質，包括極高的力學強度與韌性，良好的透光性，以及已知材料中最高的載流子遷移率與飽和電流密度和最高的熱導等。因此，二維材料在未來新型功能材料設計制備以及力學與電子學等研究中具有極其誘人的應用前景。

而近年來的研究發現，通過構造二維材料疊層結構，可以實現對表面電子態的有效且精確的調控，構筑全新的材料結構和研究體系。自其被提出以來，科學家已經陸續在二維材料疊層結構中發現了莫特絕緣態、反常超導態、摩爾激子態等一系列新奇的物理現象，為低維材料物性研究和器件開發開辟了廣闊的研究空間。在構造二維材料疊層結構中，層間轉角是最直接且重要的可調控參數。通過改變二維材料疊層結構的層間轉角，可以實現對層間耦合強度及摩爾周期勢的調控，進而對材料的性能進行優化提高。

然而到目前為止，二維材料疊層結構的制備大多通過材料生長完成后進行轉移或折疊等操作來實現對轉角的控制。這些方法通常會存在操作復雜，產率低，條件苛刻等一系列的問題，并且不可避免地將材料表面暴露在外界環境中，導致無法得到大面積強相互作用的潔凈接觸面。原則上直接生長疊層結構是最理想的構造潔凈二維疊層結構的方法，然而直接生長轉角可控的大尺寸特定轉角二維單晶疊層極具挑戰性。因此，一種直接制備大尺寸特定轉角二維單晶疊層的全新方法亟待開發，這將為二維疊層結構物性研究和器件應用研發開拓新方向。

發明內容

本發明首次提出一種大尺寸具有層間轉角的二維單晶疊層的制備方法。

一種制備大尺寸特定轉角二維單晶疊層的方法，將單晶襯底進行堆疊并旋轉特定角度，并在其表面外延二維單晶材料，隨后將上下層二維單晶材料進行貼合，除去表面一層單晶襯底即可獲得特定轉角二維單晶疊層。

本發明提供一種大尺寸具有層間轉角的二維單晶材料疊層的制備方法，所述方法包括如下步驟：

S1、提供具有一定的層間轉角的單晶襯底疊層；

所述單晶襯底疊層包括層疊設置的第一單晶襯底和第二單晶襯底，所述第一單晶襯底位于第二單晶襯底之下；將第二單晶襯底相對于第一單晶襯底旋轉一定的角度α以使得所述第一單晶襯底的第一晶向與第二單晶襯底的第二晶向具有層間轉角α，其中，所述第一晶向與第二晶向為相同晶向；

S2、在單晶襯底疊層中兩個單晶襯底之間相對的表面分別生長二維單晶材料；

將單晶襯底疊層放入化學氣相沉積設備中，通入惰性氣體與還原性氣體，然后開始升溫；溫度升至700～1100℃時，通入生長所需的氣源或加熱生長所需的固源，生長時間為1s～48h；生長完成后即在第一單晶襯底的上表面生長第一二維單晶材料，在第二單晶襯底下表面生長第二二維單晶材料，從而使得第一二維單晶材料相對于第二二維單晶材料同樣具有所述層間轉角α；

S3、將第一二維單晶材料和第二二維單晶材料貼合；

S4、去除第二單晶襯底，即完成大尺寸具有層間轉角的二維單晶材料疊層的制備。

可選的是，所述二維單晶材料為石墨烯或氮化硼。