[發明專利]二維材料拉應變工程的激光沖擊制備方法

在審

• 申請號: 202110427991.1
• 申請日: 2021-04-21
• 公開（公告）號: CN113206006A
• 公開（公告）日: 2021-08-03
• 發明（設計）人: 胡耀武;劉勝;程佳瑞;黃正;何亞麗;姜飛龍
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: H01L21/02
• 分類號: H01L21/02
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 肖明洲

本發明公開了一種二維材料拉應變工程的激光沖擊制造方法，包括以下步驟：(1)在基底上沉積金屬薄膜；(2)將沉積的金屬薄膜通過熱處理等方式形成金屬納米顆粒；(3)在熱處理后的金屬薄膜上轉移單層或少層的二維半導體材料；(4)使用脈沖激光沖擊的方法對轉移的二維材料進行處理，使其產生局部的應變。本發明的激光沖擊輔助二維材料產生應變的方法，能夠在不損傷二維材料的前提下可控地產生局部的應變并能使局部應變長時間的保留，改變二維材料的能帶結構，大幅提高二維材料的載流子遷移率等電學性能，可適用于高性能場效應晶體管等電子器件。

技術領域

本發明涉及二維半導體材料應變工程的技術領域，具體涉及一種二維材料拉應變工程的激光沖擊制備方法。

背景技術

為了滿足半導體器件高集成度的需求，半導體器件的尺寸不斷縮小，但隨著器件尺寸不斷減小，短溝道效應加重，摩爾定律逐漸失效。為了進一步提升器件的性能，研究者開始尋找新型的電子材料。二維電子材料憑借其獨特原子級別的厚度及出色的柵控能力等優勢脫穎而出，成為下一代半導體材料的有力競爭者，其在晶體管領域、光電探測器領域以及存儲器領域都有巨大的應用潛力。二維材料是一種相對較新的原子級薄材料，能夠有效的抑制短溝道效應，非常適合下一代超薄半導體器件。理論和實驗結果表明，通過在二維材料中引入機械應變會改變二維材料的能帶結構，從而有可能利用機械變形來顯著調整它們的電子和光子性能。二維材料的應變工程引起了廣泛的關注，因為單個原子層的材料與它們的對應塊體材料或常規電子材料相比，本質上能夠承受更大的機械應變。傳統半導體的面內模式應變工程已被用來減少層間散射，在場效應晶體管中提高載流子遷移率，并降低半導體激光器中的空穴有效質量。

目前所廣泛使用的使二維材料產生應變的方法為將二維材料轉移到襯底上，通過控制大塊襯底的變形將應變引入二維材料中。這些變形模式包括由外延、熱膨脹失配和拉伸/壓縮襯底引起的面內模式，以及由二維材料的起皺和翹曲、在圖案化襯底上轉移二維材料引起的面外模式。采用拉伸/壓縮襯底引起的二維材料的應變在襯底恢復原有形狀后應變即會消失，不利于實際的應用；熱膨脹失配、二維材料的起皺和翹曲等方式使二維材料產生應變具有不可控性；在圖案化襯底上轉移二維材料需要對襯底進行合理的結構設計，同時納米級別的圖案化經常需要采用電子束光刻等高精度的圖案化手段，使得制備成本大幅增加。因此，開發一種使二維材料產生可控應變的方法具有重要的意義。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種二維材料拉應變工程的激光沖擊制備方法，通過激光沖擊使得與金屬納米顆粒接觸的二維材料產生局部的變形，對二維材料的能帶結構進行調整，進而提高二維材料的電學性能并應用于二維材料電子器件。

為實現上述目的，本發明提供一種二維材料拉應變工程的激光沖擊制備方法，包括以下步驟：

(1)在基底上沉積金屬薄膜；

(2)將沉積的金屬薄膜通過熱處理等方式形成金屬納米顆粒；；

(3)在金屬納米顆粒上轉移單層或少層的二維半導體材料；

(4)使用脈沖激光沖擊的方法對轉移的二維材料進行處理，使二維材料產生局部的應變。

優選地，所述步驟(1)中，基底包括但不限于Si/SiO₂、Si、石英、藍寶石。

優選地，所述步驟(1)中，沉積的金屬薄膜包括但不限于Au、Ag、Al、Ti、Cu，薄膜厚度為1-20nm。

進一步地，所述步驟(1)中，沉積金屬薄膜的方式為磁控濺射、原子層沉積、化學氣相沉積中的一種。

更進一步地，所述步驟(2)中，熱處理方式為管式爐退火、快速退火爐退火和激光退火等。更進一步地，所述步驟(4)中，使用脈沖激光沖擊的方法具體為：