一种超宽禁带二维半导体GaPS4的制备方法

一种超宽禁带二维半导体gaps4的制备方法
技术领域
1.本发明涉及宽禁带半导体材料领域，具体涉及一种超宽禁带二维半导体gaps4的制备方法。


背景技术：

2.与第一代和第二代半导体材料相比，宽禁带半导体材料具有宽频带隙、高击穿电场、高导热性、高电子饱和率和更高的抗辐射性能。因此，更适合制作高温、高频、抗辐射、大功率器件。目前，已经广泛研究的宽禁带半导体有sic、金刚石、zno和gan，它们都属于三维材料。因此，其表面和界面的悬键将可能成为俘获态或散射中心，阻碍了载流子在通道中的有效传输，导致器件的性能低。
3.与现有三维材料相比，二维层状半导体的独特结构使之成为下一代纳米器件中的关键元件，例如，原子级光滑且无悬键的表面可抑制界面的载流子散射，促使高性能稳定器件容易制造；层间的弱范德华相互作用和层内强共价键适用于高度柔性和透明的器件；亚纳米厚度将产生了各种各样的量子效应，有利于量子技术的进步。随着对二维半导体研究的不断深入，人们开始探索新的二维层状材料。目前已被大量研究的无机层状化合物集中在窄带隙半导体(带隙eg<2ev)，如mos2、wse2和黑磷。然而，宽带隙半导体(eg>2ev)，特别是超宽禁带半导体(eg>3.4ev)，在电子、光电子和电力工业中都非常重要。对于成像和照明等与可见光相关的应用，宽带隙半导体也是必不可少的。另外，从工业的角度来看，为了推动纳米器件的下一次革命，宽禁带二维半导体的发展与窄禁带二维半导体具有同等的重要性。
4.然而，超宽禁带二维半导体主要有h
‑
bn和云母，它们的超宽禁带、介电特性和原子平面特性，通常用作高迁移率2d器件的衬底。因此，进一步开发具有超宽能隙的二维宽禁带半导体，丰富二维宽禁带半导体材料库，具有重要意义。


技术实现要素：

5.因此，本发明提供一种超宽禁带二维半导体gaps4的制备方法，具体包括以下步骤：
6.s10：将镓源、磷源和硫源混合均匀，得到混合物；
7.s20：将所述混合物真空封入容器内，得到含混合物的密闭容器；所述含混合物的密闭容器设有第一端和与所述第一端对应的第二端；
8.s30：将所述含混合物的密闭容器倾斜放置在加热设备中，使所述第一端高于所述第二端；所述加热设备设有第一温区和第二温区，所述第一端位于所述第一温区，所述第二端位于所述第二温区；
9.s40：对所述含混合物的密闭容器采用预生长再重结晶的方法，加热生长得到gaps4单晶材料。
10.进一步地，所述镓源为金属镓颗粒、金属镓条、液体金属镓中的任意一种；所述磷
源为红磷、紫磷、白磷、黑磷、蓝磷中的任意一种；所述硫源为升华硫单质。作为优选，所述的镓源为液体金属镓，所述磷源为红磷。
11.进一步地，所述镓源、磷源、硫源的摩尔比为1:(0.95
‑
1.05):(4
‑
4.1)。作为优选，所述摩尔比为1：1：4.01。
12.进一步地，步骤s20中所述容器为石英管或密闭坩埚；所述真空的气压为10
‑5‑
10
‑2pa。作为优选，所述容器为石英管，所述真空度为10
‑3pa。
13.进一步地，步骤s30中所述加热容器可以是双温区管式炉；所述倾斜的角度为10
‑
60
°
，优选30
°
。
14.进一步地，步骤s40中所述预生长再重结晶的方法，包括以下步骤：
15.将所述第一温区升温至600
‑
900℃，将所述第二温区升温至500
‑
800℃，使所述第一温区和所述第二温区的温度梯度为40
‑
100℃，保温24
‑
48h；
16.然后，采用冷热交换的化学气相传输法提纯得到所述gaps4单晶材料。
17.进一步地，所述冷热交换的化学气相传输法包括以下步骤：
18.将所述第一温区降温至600
‑
650℃，所述第二温区降温至20
‑
100℃，使所述第一温区和所述第二温区的温度梯度为500
‑
630℃，保温24
‑
48h；
19.然后，将所述第一温区降温至20
‑
100℃，所述第二温区的温度升温至600
‑
650℃，使所述第一温区和所述第二温区的温度梯度为500
‑
630℃，保温24
‑
48h；得到所述gaps4单晶材料。作为优选，反应结束后将装有gaps4单晶的容器冷却1
‑
3天后再打开。
20.进一步地，所述升温的速度为15
‑
25℃/h，所述降温的速度为20
‑
30℃/h。
21.本发明提供一种超宽禁带二维半导体gaps4纳米材料，由所述gaps4单晶进行剥离后得到，所述gaps4纳米材料的能隙为3.94
‑
4.5ev。作为优选，所述的剥离方法为机械剥离。
22.本发明还提供一种紫外光传感器，由所述gaps4单晶或所述gaps4纳米材料制备得到，还包括源电极和漏电极；所述源电极和漏电极的材质为ni/au。所述紫外光传感器探测范围包括深紫外至极紫外波段；作为优选，所述紫外光传感器的源电极和漏电极ni层厚度为5nm，au层厚度为45nm。
23.综上所述，本申请上述各个实施例可以具有如下一个或多个优点或有益效果：
24.1、本发明的新型超宽禁带gaps4材料属于空间群为p21/c的单斜晶系范德华层状结构，其在室温下稳定，单层带隙为4.5ev左右。
25.2、本发明将二维gaps4单晶材料进行机械剥离形成纳米片，晶体结晶质量高，光电探测器性能优异，开关比高，响应时间快，可作为深紫外光传感器的潜在应用材料。
26.3、本发明投入小、方法简单、成本低、无环境污染、产量高，能够大规模可重复地生产，具有显著的市场应用价值。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1为本发明实施例1制备得到的gaps4单晶的照片。
29.图2为本发明实施例2制备得到的不同层厚gaps4的光学显微照片。
30.图3为本发明实施例2制备得到的不同层厚gaps4的拉曼光谱图。
31.图4为本发明实施例2制备得到的基于层状gaps4的紫外光传感器的性能。
具体实施方式
32.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.【实施例1】
34.s10：称取0.913g液体金属镓，0.406g黑磷，1.681g升华硫单质，搅拌均匀后，得到混合物；
35.s20：将所述混合物加入石英管中，石英管中抽真空至10
‑3pa，得到密闭容器；所述密闭容器设有第一端和第二端；
36.s30：将所述密闭容器倾斜30℃放置在双温区管式炉中，使所述第一端高于所述第二端；所述双温区管式炉设有第一温区和第二温区，所述第一端位于所述第一温区，所述第二端位于所述第二温区；
37.s40：以20℃/h的速度将所述第一温区的温度升至750℃，将所述第二温区的温度升至710℃，保温24h；
38.s50：将所述第一温区的温度缓慢降至620℃，以25℃/h的速度将所述第二温区的温度降至50℃，保温24h；
39.s60：以25℃/h的速度将所述第一温区的温度降至50℃，以20℃/h的速度将所述第二温区的温度升至620℃，保温24h；
40.s70：反应结束，冷却2天后打开所述密闭容器，得到gaps4单晶材料。
41.本实施例最终制备的gaps4单晶是高透明晶体，尺寸为17mm2，厚度为140μm，如图1所示。
42.【实施例2】
43.将实施例1所得的gaps4单晶放置在剥离胶带上，反复机械剥离直至胶带上，再将胶带粘贴至sio2/si衬底上，缓慢撕开胶带，即可得到不同厚度和尺寸的二维gaps4纳米片。图2为经过胶带剥离的二维gaps4纳米片，证明其可以进一步剥离为二维薄层纳米片。图3为不同厚度gaps4纳米片的拉曼光谱。
44.上述二维gaps4纳米片可通过掩模，蒸镀等步骤制作成两端金属电极，从而组装得到二维gaps4紫外光传感器。图4为不同功率下二维gaps4紫外光传感器的光电流开态和关态随时间的变化示意图，可见其性质十分稳定。
45.【实施例3】
46.s10：称取0.6085g液体金属镓，0.2705g红磷，1.121g升华硫单质，搅拌均匀后，得到混合物；
47.s20：将所述混合物加入石英管中，石英管中抽真空至10
‑5pa，得到密闭容器；所述密闭容器设有第一端和第二端；
48.s30：将所述密闭容器倾斜10℃放置在双温区管式炉中，使所述第一端高于所述第二端；所述双温区管式炉设有第一温区和第二温区，所述第一端位于所述第一温区，所述第二端位于所述第二温区；
49.s40：以15℃/h的速度将所述第一温区的温度升至600℃，将所述第二温区的温度升至500℃，保温24h；
50.s50：将所述第一温区的温度缓慢降至600℃，以30℃/h的速度将所述第二温区的温度降至20℃，保温24h；
51.s60：以30℃/h的速度将所述第一温区的温度降至20℃，以15℃/h的速度将所述第二温区的温度升至600℃，保温24h；
52.s70：反应结束，冷却1天后打开所述密闭容器，得到gaps4单晶材料。
53.本实施例最终制备的gaps4单晶是高透明晶体，尺寸为10mm2，厚度为100μm。
54.【实施例4】
55.s10：称取1.217g金属镓条，0.541g红磷，2.242g升华硫单质，搅拌均匀后，得到混合物；
56.s20：将所述混合物加入石英管中，石英管中抽真空至10
‑2pa，得到密闭容器；所述密闭容器设有第一端和第二端；
57.s30：将所述密闭容器倾斜60℃放置在双温区管式炉中，使所述第一端高于所述第二端；所述双温区管式炉设有第一温区和第二温区，所述第一端位于所述第一温区，所述第二端位于所述第二温区；
58.s40：以22℃/h的速度将所述第一温区的温度升至900℃，将所述第二温区的温度升至800℃，保温48h；
59.s50：将所述第一温区的温度缓慢降至650℃，以20℃/h的速度将所述第二温区的温度降至100℃，保温48h；
60.s60：以20℃/h的速度将所述第一温区的温度降至100℃，以25℃/h的速度将所述第二温区的温度升至620℃，保温48h；
61.s70：反应结束，冷却3天后打开所述密闭容器，得到gaps4单晶材料。
62.本实施例最终制备的gaps4单晶是高透明晶体，尺寸为12mm2，厚度为40μm。
63.【对比例1】
64.s10：称取0.913g液体金属镓，0.406g黑磷，1.681g升华硫单质，搅拌均匀后，得到混合物；
65.s20：将所述混合物加入石英管中，石英管中抽真空至10
‑3pa，得到密闭容器；所述密闭容器设有第一端和第二端；
66.s30：将所述密闭容器倾斜30℃放置在双温区管式炉中，使所述第一端高于所述第二端；所述双温区管式炉设有第一温区和第二温区，所述第一端位于所述第一温区，所述第二端位于所述第二温区；
67.s40：以20℃/h的速度将所述第一温区的温度升至750℃，将所述第二温区的温度升至710℃，保温24h；
68.s50：将所述第一温区的温度缓慢降至620℃，以25℃/h的速度将所述第二温区的温度降至50℃，保温24h；
69.s60：反应结束，冷却1天后打开所述密闭容器，最终没有得到gaps4单晶。
70.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。