专利名称：一种硅烯材料的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种硅烯材料的制备方法，属于纳米材料技术领域。
背景技术：
新型二维晶体材料因其单原子厚度的二维晶体结构和独特的物理特性成为近年来的研究焦点。在微电子学逐渐步入物理尺寸极限而面临发展瓶颈之时，以石墨烯为代表的新型二维晶体材料，它们的开发和应用有望突破当前大规模集成电路遇到的瓶颈问题， 为我国基础科学、信息科学、材料科学、能源科学等研究领域提供了一个新的机遇与平台， 而且对国民经济的可持续发展以及国防安全方面有着深远的影响。例如，石墨烯表现出来的一系列奇特的电子和物理特性，如高迁移率、高机械强度、高光透率、高导电性等，在分子电子学、微纳米器件、传感器、高效转换电池、透明导电膜、太赫兹器件等领域有着重要的应用前景。
硅烯是另一种新型的二维晶体材料，已有理论预言二维晶体硅烯存在的可能性， 而且也预言存在类似于石墨烯的优异性能。但对于这一全新的二维晶体材料，实验上还停留在研究的初始探索阶段，在国际上刚刚展开。
为了利用硅烯的优异特性，高质量硅烯的制备变得至关重要。但是，硅的块体材料中没有层状结构，无法采用胶带剥离法来分离获得的硅烯。因此，寻找一种制备高质量硅烯的方法显得尤为重要。发明内容
鉴于此，本发明的目的是提供一种硅烯材料的制备方法，能够生长出一种新型二维晶体材料——硅烯，这种新材料表现为二维有序、硅原子成六角蜂窝状排布的二维膜状结构。
本发明提供了一种硅烯材料的制备方法，其特征在于，硅原子成六角蜂窝状排布， 并在二维平面内扩展，所述半导体材料硅也可以是半导体材料锗。
本发明还提供了一种硅烯的制备方法，其步骤包括
I)在真空环境下，将适量半导体材料硅蒸发沉积到过渡金属基底上；
2)对整个样品进行退火处理，以将覆盖在基底表面的硅相互作用，形成六角蜂窝状分布二维有序的膜状结构，从而得到硅烯材料。
上述所用的硅是通过高温蒸发的方法沉积到过渡金属基底上的。
上述用于生长硅烯的过渡金属基底为铱的(111)面。
上述进行硅烯生长的退火温度为300°C ^450°C，优选为400°C。
上述硅烯形成了周期为O. 72nm的超结构，该周期性超结构可以被扫描隧道显微镜所和低能电子衍射表征。
上述的半导体材料硅也可以是半导体材料锗。
本发明通过外延生长高质量的硅烯，硅原子成六角蜂窝状排布，并在二维平面内扩展，便于进一步研究硅烯的电子性质及相关器件开发。
以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中
图I示出了本发明的整体制备过程效果示意图2示出了本发明中在铱的(111)表面沉积的高覆盖度硅颗粒的扫描隧道显微镜图像；
图3示出了本发明中样品400°C退火处理后制得的硅烯的低能电子衍射图案，包括基底铱和硅烯的衍射斑点；
图4示出了本发明中在铱的(111)面上制备的高质量硅烯的扫描隧道显微镜图
图5示出了本发明中在铱的(111)面上制备的高质量硅烯的扫描隧道显微镜放大图像以及对应的原子结构模型；
图6a示出了本发明中制备的在铱的(111)面上的硅烯的三维视图6b示出了本发明中制备的无基底的悬浮硅烯的三维视图。
具体实施方式
下面将结合附图及实施例对硅烯的制备方法作进一步的详细说明。此实施例仅仅是用于更详细具体地说明之用，而不应理解为用于以任何形式限制本发明。
本实施例在过渡金属表面制备高质量的硅烯。具体步骤为首先在真空腔内对铱单晶进行几次或者十几次氩离子溅射，然后通过将铱基底加热并保持在850°C，高温退火得到干净平整的(111)晶面。本发明的整体制备过程效果示意图如图I所示。上部分图示出了本发明中在铱的(111)表面沉积的高覆盖度的硅颗粒；下部分图示出了本发明中样品退火处理后在铱的(111)表面生长出二维有序的硅烯。
之后通过电子束蒸发源将半导体材料硅沉积在干净平整的铱表面，基底保持在室温。硅在衬底表面以颗粒的形态无规则分布，如图2的扫描隧道显微镜图像所示。
将沉积有硅颗粒的样品在400°C下退火，原来沉积在衬底表面的硅颗粒消失了，如图3所示，而在铱表面形成了一种周期为O. 72nm的超结构，该结构源于退火处理后，在样品表面形成的二维有序硅膜结构。图4的低能电子衍射图案表明该超结构的存在。这种周期为O. 72nm的超结构对应于娃原子在衬底表面的六角蜂窝状排布后形成的二维有序娃膜， 如图5所示。在不考虑基底情况下，六角蜂窝状原子排布可以清楚的表示出来，对应于硅烯结构，如图6a、6b所示，图6a示出了本发明中制备的在铱的(111)面上的硅烯的三维视图； 图6b示出了本发明中制备的无基底的悬浮硅烯的三维视图。
上面虽然对本发明进行详细的描述，然而也可以在不脱离本发明主要思想的条件下，进行各个条件的适当变化。可以理解为，本发明不限于上述实施方案，而归于权利要求的范围，其包括所述每个因素的等同替换。例如，本发明中用于生长硅烯的基底为过渡金属铱，它可以替换为钌，钼等；本发明中的半导体材料硅也可以替换为除硅以外的其他半导体材料，如锗，也能够取得与上述实施例相当的效果。权利要求
1.一种硅烯材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤1)在真空环境下，将适量半导体材料硅蒸发沉积到过渡金属基底上；2)对整个样品进行退火处理，以将覆盖在基底表面的硅相互作用，形成六角蜂窝状排布的二维有序膜状结构，从而获得硅烯材料。
2.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所用的硅是通过高温蒸发的方法沉积到过渡金属基底上的。
3.如权利要求I所述的方法，其特征在于，用于生长硅烯的过渡金属基底为铱的(111)面。
4.如权利要求I所述的方法，其特征在于，进行硅烯生长的退火温度为300°C^450°C ο
5.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述硅烯形成了周期为O.72nm的超结构，该周期性超结构可以被扫描隧道显微镜所和低能电子衍射表征。
6.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述半导体材料硅也可以是半导体材料锗。
全文摘要
本发明公开了一种硅烯材料的制备方法，其步骤包括1)在真空环境下，将适量硅蒸发沉积到过渡金属铱基底上；2)对整个样品进行退火处理，以使硅相互作用，在基底表面形成二维有序的膜状结构，硅原子成六角蜂窝状排布，形成一种新型的二维晶体材料——硅烯。这种新型材料类似于石墨烯，在未来信息电子学及器件开发研究方面具有广泛的应用潜力。
文档编号C01B33/04GK102923712SQ20121047069
公开日2013年2月13日 申请日期2012年11月20日 优先权日2012年11月20日
发明者王业亮, 孟蕾, 高鸿钧 申请人:中国科学院物理研究所