一种磷化铟/磷晶体外延异质结构及其制备方法和应用

本发明涉及光电功能材料制备，尤其是涉及一种磷化铟/磷晶体外延异质结构及其制备方法和应用。

背景技术：

1、磷化铟(inp)是重要的ⅲ–ⅴ族化合物半导体材料之一，是继si、gaas之后的新一代电子功能材料。inp具有许多优点，如直接跃迁型能带结构、宽禁带结构、高的电光转换效率和电子迁移率，适合制作高频微波器件和电路；导热好、工作温度高、具有强的抗辐射能力，可作为高光电转换效率的太阳能电池材料等。这些特征决定了其在固体发光、微波通信、光纤通信、制导/导航、卫星等民用和军事领域的应用十分广阔。1965-1968年mullin等人第一次用三氧化二硼(b2o3)做液封剂，用液封直拉法(lec)生长出了inp单晶材料，为以后生长大直径、高质量ⅲ-ⅴ族单晶打下基础，inp材料的研究也才真正开始。随着20世纪80年代透射电镜技术的应用和迅速发展以及光纤通信事业的大发展，光电器件的走红，太阳能电池的大量需求，极大的推动了与这些技术密切相关的inp材料的研究和发展。

2、单元素磷是一种极具潜力的新型二维半导体，存在多种物理化学性质不同的同素异形体，如黑磷、紫磷、纤维磷和橙磷。尤其以黑磷最为广泛研究，其独特的原子构型赋予其前所未有的多样性，受到纳米科学、电子学、光子学和生物医学等领域的广泛关注。此外，磷晶体材料共享各向异性、可调带隙、高载流子迁移率和催化活性等特性，在场效应晶体管、光电探测器、超快光学、离子电池以及催化领域展现出潜在的应用价值。然而，磷晶体材料表面容易受氧化影响，制约了器件的长期稳定性和实际应用。为了确保磷晶体材料的可靠性，通常会采用表面修饰或对其器件结构进行封装等方法，以提高其稳定性。然而，复杂的工艺往往会导致材料界面损伤，同时也会造成高昂的成本，从而限制了材料的本征特性的发挥。

3、考虑到单一材料具有某些局限性，研究者们期待拥有更加优异且可调控器件性能的材料体系，而通过将不同种类材料结合得到的异质结为实现此目标带来了希望。异质结构提供了对不同材料取长补短从而实现两全其美的可能性。目前，磷化铟基异质结构材料和黑磷基异质结构材料分别得到了广泛开发和应用，然而磷化铟/磷晶体外延异质结构的制备及其实际应用还尚未有相关实验研究报道。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种磷化铟/磷晶体外延异质结构及其制备方法和应用。

2、一种磷化铟/磷晶体外延异质结构，磷化铟膜外延生长在磷晶体表面。

3、优选的，磷化铟膜为连续膜。

4、优选的，磷化铟膜的厚度为2nm～200nm。

5、优选的，磷晶体选自黑磷、紫磷、纤维磷和橙磷(ⅱ型磷)晶体中的至少一种。

6、优选的，磷化铟/磷晶体外延异质结构无范德华间隙。

7、本发明还提供了上述磷化铟/磷晶体外延异质结构的制备方法，包括以下步骤：

8、以铟箔和磷晶体为原料，一同加入反应容器，真空密封，使磷晶体处于铟箔上面并接触，后经高温原位转化生长反应，即可得到磷化铟/磷晶体外延异质结构。

9、优选的，铟箔和磷晶体的纯度均达到99.5％以上。

10、优选的，磷晶体在使用前用酸溶液浸泡以除去表面的氧化物杂质，然后用无水乙醇清洗后再氮气氛围中干燥；

11、优选的，酸溶液选自稀hno3、稀hcl、稀h2so4中的至少一种。

12、优选的，高温原位转化生长反应的温度为300～450℃，时间为4～30h。

13、本发明还提供了上述制备方法制备得到的磷化铟/磷晶体外延异质结构在光电探测、制备场效应晶体管中的应用。

14、本发明的优点在于：

15、(1)本发明以铟和磷晶体为原料，二者在真空环境在热处理反应，生成稳定的磷化铟/磷晶体异质结构，本发明首次实现了这两种材料的原位稳定制备方法，并且材料制备过程简单，高效安全，磷化铟膜厚度可调，磷化铟光电转化效率高、导热好，磷晶体光响应频率范围宽，可以较好的传导电子，为研究磷化铟/磷晶体的结构性能铺平了道路，为磷化铟/磷晶体在光电探测、高频微波器件、太阳能电池、发光器件、锂/钠离子电池、催化及生物医疗等领域的研究提供了思路，该材料的应用前景极为广阔。

16、(2)本发明提供的制备方法可实现大面积较均匀的薄磷化铟膜在磷晶体表面的原位转化生长，方法简单、高效，可扩展到其它金属磷化物/磷晶体外延异质结构制备，适合工业化生产。

17、(3)本发明所提供的磷化铟/磷晶体外延异质结构应用于红外光电探测中拥有优良的光电探测性能，得益于异质中的inp的直接跃迁型能带结构、宽禁带结构、高的电光转换效率和电子迁移率，及bp的宽光谱响应、高载流子迁移率和直接跃迁型能带结构。

技术特征：

1.一种磷化铟/磷晶体外延异质结构，其特征在于，磷化铟膜外延生长在磷晶体表面。

2.如权利要求1所述的磷化铟/磷晶体外延异质结构，其特征在于，所述磷化铟膜为连续膜。

3.如权利要求1所述的磷化铟/磷晶体外延异质结构，其特征在于，所述磷化铟膜的厚度为2nm～200nm。

4.如权利要求1所述的磷化铟/磷晶体外延异质结构，其特征在于，所述磷晶体选自黑磷、紫磷、纤维磷和橙磷晶体中的至少一种。

5.如权利要求1所述的磷化铟/磷晶体外延异质结构，其特征在于，所述磷化铟/磷晶体外延异质结构无范德华间隙。

6.权利要求1所述的磷化铟/磷晶体外延异质结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述铟箔和所述磷晶体的纯度均达到99.5％以上。

8.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述磷晶体在使用前用酸溶液浸泡以除去表面的氧化物杂质，然后用无水乙醇清洗后再氮气氛围中干燥；

9.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述高温原位转化生长反应的温度为300～450℃，时间为4～30h。

10.权利要求6～9任一项所述的制备方法制备得到的磷化铟/磷晶体外延异质结构在光电探测、制备场效应晶体管中的应用。

技术总结
本发明提供了一种磷化铟/磷晶体外延异质结构及其制备方法和应用，该异质结构包括磷晶体和外延生长在磷晶体表面的磷化铟连续膜。制备方法包括：以铟箔和磷晶体为原料，一同加入反应容器，真空密封，磷晶体处于铟箔上面并接触，后经高温原位转化生长反应，即可得到无范德华间隙的磷化铟/磷晶体外延异质结构；本发明制备方法简单、高效，可扩展到其它金属磷化物/磷晶体外延异质结构，适合工业化生产；本发明制备的异质结构在光电探测、高频微波器件、太阳能电池、发光器件、催化、生物医药和锂/钠离子电池等领域具有广阔的应用前景。

技术研发人员：王佳宏,程自强,张帅,黄浩,李阳,姜通通,喻学锋
受保护的技术使用者：中国科学院深圳先进技术研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/2/19