一种二维GaTe材料的制备方法与流程

本发明涉及二维gate材料制备领域，尤其涉及一种二维gate材料的制备方法。

背景技术：

作为一种最早发现的二维材料，尽管石墨烯具有较高的电子迁移率，但是零能量带隙(半金属)的特性导致其无法直接应用于半导体电子与光电器件领域。相比之下，ⅲ-ⅵ族层状化合物(gate)具有1.7ev的直接带隙，并且与石墨片具有类似的结构(层内是强共价键，而层间是弱范德华键)。gate二维材料被认为在新型二维电子及光电器件领域具有良好的应用优势。

相比于机械剥离法的低效率和尺寸过小等问题，化学气相沉积法制备参数可调节，且优化制备的材料尺寸大，是最有可能实现产业化一种方法。但是到目前为止还未报道过gate的化学气相合成方法。

技术实现要素：

本发明提供了一种二维gate材料的制备方法，包括依次执行如下步骤：

步骤1：称取一定量的碲粉和镓液，将其分别放置于两个坩埚中，放置碲粉为碲源的坩埚为第一坩埚、放置镓液为镓源的坩埚为第二坩埚；

步骤2：分别将步骤1中的所述第一坩埚、所述第二坩埚放置在cvd管式炉的上游和中心，所述第一坩埚、所述第二坩埚之间需间隔一定距离；

步骤3：将衬底位于cvd管式炉内且倒置在第二坩埚正上方；

步骤4：将氩气和氢气的混合气体通入cvd管式炉中，并对cvd管式炉进行升温，当升温到设定温度时保温一定时间，然后自然冷却到室温，即能在所述衬底上沉积二维gate材料。

作为本发明的进一步改进，在所述步骤1中，称取的碲粉的重量为10～20mg，量取的镓液体积为1～2ml。

作为本发明的进一步改进，在所述步骤2中，所述第一坩埚中的碲源与所述第二坩埚中的镓源间隔距离为16～20cm。

作为本发明的进一步改进，在所述步骤3中，所述衬底为云母衬底。

作为本发明的进一步改进，在所述步骤4中，通入的氩气的气流量为50～100sccm，通入的氢气的气流量为10～20sccm。

作为本发明的进一步改进，在所述步骤4中，以50℃/min升温到650～800℃，保温时间为15min。

作为本发明的进一步改进，在所述步骤1中，所述坩埚为尺寸80×10×10mm的氧化铝坩埚。

作为本发明的进一步改进，在所述步骤1中，称取15mg的碲粉置于第一坩埚中，量取1.5ml的镓液置于第一坩埚中；

在所述步骤2中，将第一坩埚、所述第二坩埚放置在cvd管式炉的上游和中心，所述第一坩埚、所述第二坩埚之间的距离为18cm；

在所述步骤3中，将衬底倒置在第二坩埚的正上方；

在所述步骤4中，通入氩气的气流量为50sccm和氢气的气流量为10sccm的混合气体，并以50℃/min升温到650～800℃，保温15min，然后自然冷却到室温，即可在衬底上沉积二维gate材料。

作为本发明的进一步改进，在所述步骤4中，通入氩气的气流量为50sccm和氢气的气流量为10sccm的混合气体，并以50℃/min升温到650℃或700℃或750℃或800℃，保温15min，然后自然冷却到室温，即可在衬底上沉积二维gate材料。

作为本发明的进一步改进，在所述步骤4中，室温为25℃。

本发明的有益效果是：1.本发明的制备方法采用化学气相沉积法，相较于常规的机械剥离法制备过程，更容易控制；2.通过本发明的制备方法所制备出的二维gate材料横向尺寸最大可达200μm，厚度薄至单层，且具有良好的结晶性能；3.本发明所选取的二维gate材料的制备原料，主要以熔点较低的镓液为镓源，相较于ga2o3或gacl3等常规镓源，镓液在较低的温度下可以获得较大饱和蒸汽压，降低了反应的温度；4.基于本发明的制备方法所制备的二维gate材料探测器，在可见光范围内具有较高的响应率和较短的响应时间。

附图说明

图1是本发明实施例所制备的二维gate材料的光学显微镜照片：(a)条片状二维gate材料；(b)堆叠状二维gate材料；

图2是本发明实施例所制备的二维gate材料的高度表征：(a)对应图1(b)中二维gate材料的afm扫描图；(b)划线处的高度图；

图3是本发明实施例所制备的二维gate材料的raman光谱；

图4是本发明实施例所制备的二维gate材料的xps图谱：(a)全谱图；(b)te3d窄谱图；(c)ga3d窄谱图；

图5是基于本发明实施例所制备的二维gate材料的光电表征：(a)器件的om照片；(b)在1.51mw/cm2功率下，不同激发波长器件的的i-v曲线图；(c)360nm激发波长下的时间响应曲线，(d)一个周期内时间响应曲线。

具体实施方式

本发明公开了一种二维gate材料的制备方法，作为实施例1，该制备方法包括依次执行如下步骤：

步骤1：称取一定量的碲粉和镓液，将其分别放置于两个坩埚中，放置碲粉为碲源的坩埚为第一坩埚、放置镓液为镓源的坩埚为第二坩埚；

步骤2：分别将步骤1中的所述第一坩埚、所述第二坩埚放置在cvd管式炉的上游和中心，所述第一坩埚、所述第二坩埚之间需间隔一定距离；

步骤3：将衬底位于cvd管式炉内且倒置在第二坩埚正上方；

步骤4：将氩气和氢气的混合气体通入cvd管式炉中，并对cvd管式炉进行升温，当升温到设定温度时保温一定时间，然后自然冷却到室温，即能在所述衬底上沉积二维gate材料。

在所述步骤1中，称取的碲粉的重量为10～20mg，量取的镓液体积为1～2ml。

在所述步骤2中，所述第一坩埚中的碲源与所述第二坩埚中的镓源的间隔距离为16～20cm。

在所述步骤3中，所述衬底为云母衬底。

在所述步骤4中，通入的氩气的气流量为50～100sccm，通入的氢气的气流量为10～20sccm。

在所述步骤4中，以50℃/min升温到650～800℃，保温时间为15min。

所述坩埚为尺寸80×10×10mm的氧化铝坩埚。

通过该制备方法提取的二维gate材料能应用于光电探测领域。

实施例2是在实施例1的基础上进一步改进，实施例2如下：

称取15mg的碲粉为碲源置于第一坩埚中，量取1.5ml的镓液为镓源置于第二坩埚中；将第一坩埚放置在cvd管式炉的上游，将第二坩埚放置在cvd管式炉的中心，其中碲源与镓源的距离为18cm；将云母衬底倒置在第二坩埚的正上方；在50sccm氩气和10sccm氢气的气氛中，以50℃/min升温到650℃，保温15min，然后自然冷却到室温。

从图1中可看出二维gate材料的横向尺寸最大可达200μm，此外，二维gate材料在光镜下的颜色几乎与背底的颜色一致，可初步推断其厚度较薄。

图2的图(a)的扫描范围是50×50μm；从图2的图(b)中可以看出沿划线方向的高度差分别是0.8nm、1.6nm、0.8nm，而单层二维gate材料的厚度为0.8nm，因此，沿划线方向每层二维gate材料的厚度分别是1l，2l，4l和5l。

从图3中可以看出，随着厚度的增加，二维gate材料的面内振动模式ag1和ag2峰都发生了蓝移，且峰的强度明显增加。

从图4的图(b)te3d窄谱图中可以看出te3d3/2和te3d3/5轨道对应的结合能的位置分别为572.675和583.05ev，所制备的二维gate材料中te是-2价的，同理从图(c)ga3d窄谱图中可以知道所制备的二维gate材料中ga是+2价的。通过积分计算发现te与ga的原子比为1.12：1，进一步说明所制备的二维gate材料中存在ga空穴。

实施例3是在实施例1的基础上进一步改进，实施例3如下：

称取15mg的碲粉为碲源置于第一坩埚中，量取1.5ml的镓液为镓源置于第二坩埚中；将第一坩埚放置在cvd管式炉的上游，将第二坩埚放置在cvd管式炉的中心，其中碲源与镓源的距离为18cm；将云母衬底倒置在第二坩埚的正上方；在50sccm氩气和10sccm氢气的气氛中，以50℃/min升温到700℃，保温15min，然后自然冷却到室温。在保持其他条件不变得情况下，只改变生长温度，二维gate材料的厚度会明显增加，此条件下得到的二维gate材料厚度范围大约在20～40nm。

实施例4是在实施例1的基础上进一步改进，实施例4如下：

称取15mg的碲粉为碲源置于第一坩埚中，量取1.5ml的镓液为碲源置于第二坩埚中；将第一坩埚放置在cvd管式炉的上游，将第二坩埚放置在cvd管式炉的中心，其中碲源与镓源的距离为18cm；将云母衬底倒置在坩埚b的正上方；在50sccm氩气和10sccm氢气的气氛中，以50℃/min升温到750℃，保温15min，然后自然冷却到室温。继续升高生长温度二维gate材料的厚度会继续增加，此条件下得到的二维gate材料厚度超过100nm。

实施例5是在实施例1的基础上进一步改进，实施例5如下：

称取15mg的碲粉为碲源置于第一坩埚中，量取1.5ml的镓液为碲源置于第二坩埚中；将第一坩埚放置在cvd管式炉的上游，将第二坩埚放置在cvd管式炉的中心，其中碲源与镓源的距离为18cm；将云母衬底倒置在第二坩埚的正上方；在50sccm氩气和10sccm氢气的气氛中，以50℃/min升温到850℃，保温15min，然后自然冷却到室温。二维gate材料在850℃下几乎不能形核，生长过程结束后，云母衬底上未能发现所生成的二维gate材料。

实施例6是在实施例1的基础上进一步改进，实施例6如下：

称取15mg的碲粉为碲源置于第一坩埚中，量取1.5ml的镓液为碲源置于第二坩埚中；将第一坩埚放置在cvd管式炉的上游，将第二坩埚放置在cvd管式炉的中心，其中碲源与镓源的距离为18cm；将云母衬底倒置在第二坩埚的正上方；在50sccm氩气和10sccm氢气的气氛中，以50℃/min升温到700℃，保温15min，然后自然冷却到室温。将得到的二维gate材料蒸镀60nm的cr和10nm的au作为接触电极，制备成光电探测器。从图5的图(a)中可以看出，器件的沟道长度为20μm，沟道宽度为5μm。从图5的图(b)可以看出器件在360nm的激发波长下光电流最大，这是因为二维gate材料的带隙为1.7ev，激发波长小于730nm的单色光都可以激发价带中的电子向导带跃迁，产生光电流，并且随着入射波长的降低其入射光子的能量越大，传递给二维gate材料价带上的电子的能量就越多，从而使价带电子更容易跃迁到导带，另外也更容易越过金属/半导体接触势垒进入电路，所以产生更大的电流强度。在360nm的单色光照射下，器件在5v偏压下具有最大的光响应度66.29aw-1。从图5的图(c)可以看出，器件在周期性的开关内，光电流比较稳定。从图5的图(d)中可以看出器件的响应时间为160ms，响应速度较快。

本发明的有益效果是：1.本发明的制备方法采用化学气相沉积法，相较于常规的机械剥离法制备过程，更容易控制；2.通过本发明的制备方法所制备出的二维gate材料横向尺寸最大可达200μm，厚度薄至单层，且具有良好的结晶性能；3.本发明所选取的二维gate材料的制备原料，主要以熔点较低的镓液为镓源，相较于ga2o3或gacl3等常规镓源，镓液在较低的温度下可以获得较大饱和蒸汽压，降低了反应的温度；4.基于本发明的制备方法所制备的二维gate材料探测器，在可见光范围内具有较高的响应率和较短的响应时间。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。