一种高迁移率层状硒氧化铋半导体薄膜及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种高迁移率层状Bi2O2Se半导体薄膜及其制备方法。该制备层状Bi2O2Se半导体薄膜的方法，包括如下步骤：以Bi2O3粉末和Bi2Se3块体为原料，在云母基底上进行化学气相沉积，沉积完毕后即得到所述层状Bi2O2Se半导体薄膜。该方法经济、简单易行、所得薄膜大面积连续迁移率高，具有广阔应用前景。
【专利说明】
-种高迁移率层状砸氧化祕半导体薄膜及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明属于半导体材料领域，具体设及一种高迁移率层状砸氧化祕半导体薄膜的 制备方法。
【背景技术】
[0002] 二维层状材料因其独特的二维结构和优异的光学、电学及光电性质而受到人们的 广泛关注。砸氧化祕（Bi2〇2Se)是一种传统的热电材料，属于四方晶系《 = 3.88 A, C = 12.16 A，Z = 2)，由（Bi2化)η层和Sen交替连接构成而具有二维层状晶体结构。C.Drasar 等对Bi2〇2Se单晶块材的电学输运研究表明，其具有较高迁移率，室溫霍尔迁移率可高于 SOOcnArVi。同时，相关的理论计算表明，Bi2〇2Se具有较大的体带隙（~0.7-1.2eV)。因此， Bi2化Se是一种潜在的高迁移率的半导体层状材料，可能应用于高性能逻辑器件、光电等领 域，并可能制备全新的二维柔性电子器件和光电器件。大面积连续高质量的单晶薄膜材料 的可控合成是应用实现的关键和难点。然而，迄今为止，Bi2化Se材料主要是通过溶液法或高 溫气质输运方法得到的，且所得产物为纳米晶或者块体，其晶体质量较差，难W满足电子和 光电子领域的需求。大面积连续高质量的Bi2〇2Se单晶薄膜的合成尚未见报道。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是提供一种高迁移率层状Bi2〇2Se半导体薄膜及其制备方法。
[0004] 本发明提供的制备层状Bi2〇2Se半导体薄膜的方法，包括如下步骤：
[0005] WBi2〇3粉末和Bi2Se3块体为原料，进行化学气相沉积，沉积完毕后得到所述层状 Bi2化Se半导体薄膜。
[0006] 上述方法中，所述帖〇3粉末与Bi2Se3块体的摩尔比为1~3:1，具体可为1:1、2:1或 3:1。
[0007] 所述化学气相沉积在基底上进行；
[000引所述基底具体为云母，化学式为KMg3(AlSi3化0化。
[0009] 所述化学气相沉积步骤中，载气为氣气。
[0010] 体系压强为50-400托，具体可为50、200或400托。
[0011] 沉积溫度为580-680°C，具体可为580°C、630°C或680°C。
[001 ^ 沉积时间为5-60分钟，具体可为5、30或60分钟。
[0013] 所述化学气相沉积具体可为在管式炉中进行。
[0014] 更具体的，所述原料位于所述管式炉的中屯、位置。
[0015] 所述基底位于所述管式炉中屯、位置的下游。具体为距所述中屯、位置10-14厘米的 下游位置。
[0016] 所述方法还包括如下步骤:在所述化学气相沉积步骤之后，将体系自然降溫至室 溫〇
[0017] 图1是本发明生长Bi2〇2Se薄膜方法的示意图。
[001引另外，按照上述方法制备得到的层状Bi202Se半导体薄膜及该层状Bi202Se半导体 薄膜在制备红外光电探测器或场效应晶体管中的应用，也属于本发明的保护范围。
[0019] 所述层状Bi2〇2Se半导体薄膜的300K下的霍尔迁移率具体可为313cm2V-is-i，低溫 2K下的霍尔迁移率具体可为20660cm2y-is-i。
[0020] 本发明介绍一种化学气相沉积合成高迁移率层状Bi2〇2Se半导体薄膜的制备方法。 该方法经济、简单易行、所得薄膜大面积连续迁移率高，具有广阔应用前景。
【附图说明】
[0021] 图1是本发明生长Bi2〇2Se薄膜方法的示意图；
[0022] 图2为本发明介绍的层状砸氧化祕的晶体结构图；
[0023] 图3是本发明实施例1中所得Bi2〇2Se薄膜的光学显微镜照片；
[0024] 图4是本发明实施例1中所得Bi2〇2Se薄膜的原子力显微镜照片；
[0025] 图5是本发明实施例1中所得Bi2〇2Se薄膜的透射电镜低分辨，高分辨及选区电子衍 射图片；
[0026] 图6是本发明实施例1中所得Bi2〇2Se薄膜的能谱卿S)图片；
[0027] 图7是本发明实施例4中所得Bi2〇2Se薄膜的霍尔迁移率和载流子浓度随溫度的变 化趋势曲线；
[002引图8是本发明实施例2中所得Bi202Se薄膜的光学显微镜照片；
[0029] 图9是本发明实施例3中所得Bi2〇2Se薄膜的光学显微镜照片；
【具体实施方式】
[0030] 下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于W下实施例。所 述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。
[0031] 实施例1
[0032] 称取0.71克Bi2〇3粉末和1.00克Bi2Se3块体(摩尔比1:1)，将其置于管式炉石英管 的中屯、。接着，氣金云母基底被置于距离管式炉中屯、10-14厘米的下游处。通入载气氣气，维 持体系压强为200托。将溫度升至630摄氏度，维持5分钟，进行化学气相沉积。沉积完毕后停 止载气的通入，自然降溫至室溫，将沉积有Bi2〇2Se薄膜的云母基底取出，即得到本发明提供 的层状Bi2〇2Se半导体薄膜。
[0033] 图2为该实施例制备所得层状Bi2〇2Se半导体薄膜的晶体结构图；由图可知， Bi2化Se是一种由（Bi2化)η层和Sen层在Z轴方向上交替连接而形成的二维层状材料；
[0034] 图3是该实施例所得Bi2〇2Se薄膜的光学显微镜照片；由图可知，所得Bi2〇2Se二维 晶体薄膜形状近乎为规整的正方形，畴区尺寸大约为30-50微米；
[0035] 图4是该实施例所得Bi2〇2Se二维晶体薄膜的典型原子力显微镜照片；由图可知，所 得该Bi2〇2Se二维晶体的厚度为6.2nm，其表面为原子级平整；
[0036] 图5是该实施例所得Bi2〇2Se二维晶体薄膜的透射电镜低分辨，高分辨及选区电子 衍射图片；由图可知，所得Bi2〇2Se二维晶体的结晶性非常良好，其中高分辨透射电镜照片给 出的0.28nm的面间距与B i 2〇2Se晶体的（110)晶面的面间距的理论值(0.28皿)一致；
[0037] 图6是该实施例所得Bi2〇2Se二维晶体薄膜的能谱化DS)图；由图可知，所得二维晶 体薄膜的Bi，0和Se的原子比遵从2:2:1，其中化的信号来源于微栅铜网；
[0038] 图7是该实施例所得Bi2〇2Se二维晶体薄膜的霍尔迁移率和载流子浓度随溫度变化 趋势曲线；由图可知，所得Bi2〇2Se二维晶体薄膜的室溫霍尔迁移率可达313cm2V-is^i，且其 随着溫度降低迅速上升，在低溫2K下，霍尔迁移率可达20660cm2Fis^i。同时其载流子浓度随 着溫度降低单调递减，由300K下的2.8 X l〇i3cm-2降为低溫2K下的1.8 X l〇i3cm-2。
[0039] 实施例2
[0040] 称取1.42克Bi2〇3粉末和1.00克Bi2Se3块体(摩尔比2:1)，将其置于管式炉石英管 的中屯、。随后，将氣金云母基底置于距离管式炉中屯、10-14厘米的下游处。通入载气氣气，维 持体系压强为400托。将溫度升至580摄氏度，维持30分钟，进行化学气相沉积。沉积完毕后 停止载气的通入，自然降溫至室溫，将沉积有Bi2〇2Se薄膜的云母基底取出，即得本发明提供 的层状Bi2〇2Se半导体薄膜。
[0041] 图8是本发明实施例2中所得Bi2〇2Se薄膜的光学显微镜照片；由图可知，所得 Bi2化Se二维晶体薄膜的畴区尺寸大于100微米。
[0042] 实施例3
[00创称取2.13克Bi203粉末和1.00克Bi2Se3块体(摩尔比3:1)，将其置于管式炉石英管 的中屯、。随后，将氣金云母基底置于距离管式炉中屯、10-14厘米的下游处。通入载气氣气，维 持体系压强为50托。将溫度升至680摄氏度，维持60分钟，进行化学气相沉积。沉积完毕后停 止载气的通入，自然降溫至室溫，将沉积有Bi202Se薄膜的云母基底取出，即得本发明提供的 层状Bi202Se半导体薄膜。
[0044]图9是该实施例所得Bi2〇2Se薄膜的光学显微镜照片；由图可知，所得Bi2〇2Se薄膜 大面积连续、均匀。
【主权项】
1. 一种制备层状Bi2〇2Se半导体薄膜的方法，包括如下步骤： 以Bi2〇3粉末和Bi2Se3块体为原料，进行化学气相沉积，沉积完毕即得。2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于:所述Bi2〇3粉末与Bi2Se 3块体的摩尔比为1~ 3:1〇3. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于:所述化学气相沉积在基底上进行； 或，所述化学气相沉积在基底上进行，所述基底为云母，化学式为KMg3 (AlSi3〇1Q)F2。4. 根据权利要求1-3中任一所述的方法，其特征在于:所述化学气相沉积步骤中，载气 为氩气； 体系压强为50-400托； 沉积温度为580-680 °C ; 沉积时间为5-60分钟。5. 根据权利要求1-4中任一所述的方法，其特征在于:所述化学气相沉积在管式炉中进 行。6. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于:所述原料位于所述管式炉的中心位置;所 述基底位于所述管式炉中心位置的下游。7. 根据权利要求1-6中任一所述的方法，其特征在于:所述方法还包括如下步骤： 在所述化学气相沉积步骤之后，将体系自然冷却至室温。8. 权利要求1-7中任一所述方法制备得到的层状Bi2〇2Se半导体薄膜。9. 根据权利要求8所述的层状Bi2〇2Se半导体薄膜，其特征在于:所述层状Bi2〇 2Se半导体 薄膜的300K下的霍尔迀移率为313cm2V-S-1，低温2K下的霍尔迀移率为2066001^^8一、10. 权利要求8或9任一所述层状Bi2〇2Se半导体薄膜在制备红外光电探测器或场效应晶 体管中的应用。
【文档编号】H01L31/09GK106011783SQ201610532362
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月7日
【发明人】彭海琳, 吴金雄, 谭聪伟
【申请人】北京大学