一种Si(P)/H/WS2(RE)范德华异质结及其制备方法

本发明属于凝聚态物理、材料研究领域，特别涉及一种si(p)/h/ws2(re)范德华异质结及其制备方法。

背景技术：

1、在采用cvd方法生长ws2材料必定会带来缺陷，而缺陷的存在势必影响材料性能。目前，对于单层ws2提高其性能的方法一般有掺杂、施加压力或电场应变等，而掺杂的元素也一般为非金属元素和过渡族金属元素。某些采用吸附掺杂的方式会导致结构不稳定，从而也会影响材料性能的稳定性。相较而言，替位掺杂的方式是比较稳定的。然而，具有丰富的4f轨道电子的稀土原子掺杂ws2或者更换生长衬底材料制作异质结提高光电性能的设计很少被考虑到。

2、对于ws2二维材料异质结光电探测器的设计主要的研究都集中在通过ws2和其他二维材料所构建的异质结，然而，传统的方法制备范德华异质结一般都通过二维材料的微区定点转移，或者通过二次生长。微区定点转移方案需要使用凝胶薄膜，难以彻底清除；且转移过程很容易造成二维材料损伤，两种材料的接触界面也容易受到二维材料翘楚和褶皱影响，导致接触不良。而采用二次生长制备范德华异质结的概率非常低，难度很大。

技术实现思路

1、针对ws2二维材料材料存在载流子寿命短、可见光-近红外范围吸收能力弱、无法克服光生电子和空穴复合率高等问题，本发明提出一种si(p)/h/ws2(re)范德华异质结及其制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

2、在ws2材料中掺杂稀土原子re，即将ws2材料的其中一个w原子替换为稀土原子re，形成ws2(re)层，该层结构表现为p型半导体性质；

3、选择对晶体硅进行切面后掺杂非金属原子磷，采用h原子饱和掉硅在切面后表面未配对的悬挂键，采用一个p原子替换一个si原子，替换的si原子选择与re原子间距最短且未与h原子形成共价键的原子，该结构属于n型半导体；

4、以si(p)-h层作为衬底，在测试层间距后将ws2(re)层与si(p)-h叠加形成si(p)/h/ws2(re)异质结。

5、进一步的，稀土原子re选择原子序数小于且接近钨原子的原子序数的稀土原子。

6、进一步的，稀土原子re为铒、铥或者镥。

7、进一步的，在ws2材料中掺杂稀土原子re时，掺杂浓度为6.00％～6.50％；；优选的，最优的掺杂浓度为6.25％。

8、进一步的，晶体硅进行切面后掺杂非金属原子磷时，掺杂浓度为2.05％～2.10％；优选的，最优的掺杂浓度为2.08％。

9、进一步的，形成异质结的过程中，在具有p掺杂的si衬底上平铺钨源、稀土原子源以及促进剂，在真空和900℃的条件下生长反应形成异质结

10、本发明还提出一种si(p)/h/ws2(re)范德华异质结，该异质结根据一种si(p)/h/ws2(re)范德华异质结的制备方法制备得到。

11、本发明还提出一种光伏型光电探测器，该探测器基于一种si(p)/h/ws2(re)范德华异质结的材料制备得到。

12、本发明的ws2(re)/h/si(p)范德华异质结广谱光探测器，异质结的能带带隙宽度相比单层ws2的能带带隙更窄，且会形成内置电场减小电子和空穴复合，异质结的吸收光谱强于单层ws2的吸收光谱；共掺杂增加了异质结能带的带隙，减小了内置电场的强度，提高了异质结的吸收光谱，且会在近红外或中红外波段形成独特的吸收峰。我们通过模拟电场对材料施加应变，找到了带隙随电场强度的变化规律，并找到最大的电场强度使异质结由半导体性质转变为金属性。

技术特征：

1.一种si(p)/h/ws2(re)范德华异质结的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种si(p)/h/ws2(re)范德华异质结的制备方法，其特征在于，稀土原子re选择原子序数小于且接近钨原子的原子序数的稀土原子。

3.根据权利要求1或2所述的一种si(p)/h/ws2(re)范德华异质结的制备方法，其特征在于，稀土原子re为铒、铥或者镥。

4.根据权利要求1所述的一种si(p)/h/ws2(re)范德华异质结的制备方法，其特征在于，在ws2材料中掺杂稀土原子re时，掺杂浓度为6.00％～6.50％。

5.权利要求1所述的一种si(p)/h/ws2(re)范德华异质结的制备方法，其特征在于，晶体硅进行切面后掺杂非金属原子磷时，掺杂浓度为2.05％～2.10％。

6.根据权利要求1所述的一种si(p)/h/ws2(re)范德华异质结的制备方法，其特征在于，形成异质结的过程中，在具有p掺杂的si衬底上平铺钨源、稀土原子源以及促进剂，在真空和900℃的条件下生长反应形成异质结。

7.一种si(p)/h/ws2(re)范德华异质结，其特征在于，根据权利要求1～3任意一项所述的一种si(p)/h/ws2(re)范德华异质结的制备方法制备得到。

8.一种光伏型光电探测器，其特征在于，利用包括权利要求5所述的一种si(p)/h/ws2(re)范德华异质结材料制备制备。

技术总结
本发明属于凝聚态物理、材料研究领域，特别涉及一种Si(P)/H/WS2(RE)范德华异质结及其制备方法，制备方法包括：将WS<subgt;2</subgt;材料的其中一个W原子替换为稀土原子，形成WS<subgt;2</subgt;(RE)层；选择对晶体硅进行切面后掺杂非金属原子磷，采用H原子饱和掉硅在切面后表面未配对的悬挂键，采用一个P原子替换一个Si原子，替换的Si原子选择与稀土原子间距最短且未与H原子形成共价键的原子；以Si(P)‑H层作为衬底，在测试层间距后将WS<subgt;2</subgt;(RE)层与Si(P)‑H叠加形成异质结；本发明异质结的能带带隙宽度相比单层WS<subgt;2</subgt;的能带带隙更窄，且会形成内置电场减小电子和空穴复合，异质结的吸收光谱强于单层WS<subgt;2</subgt;的吸收光谱。

技术研发人员：赵杨,赵洪泉,石轩,王春香
受保护的技术使用者：重庆邮电大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12