阅读说明：本技术 生长单层磷化硅晶体的方法 (Method for growing single-layer silicon phosphide crystal ) 是由 邱海龙 武羽 胡章贵 于 2020-04-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种生长单层磷化硅晶体的方法,包括以下步骤：准备石英管,石英管的两端分别为原料端和基底端,在石英管的基底端内放置一基底,在石英管的原料端内放置原材料和输运剂,对石英管进行抽真空,抽真空后密封石英管,其中,原材料为单质硅和红磷的混合物,输运剂为单质碘；对石英管的原料端和基底端同时加热5～36h,加热后随炉冷却至室温20～25℃,在基底上得到单层磷化硅晶体,其中,原料端的加热温度为1000～1150℃,基底端的加热温度为600～950℃。本发明利用化学气相输运法第一次实现了单层磷化硅二维晶体的生长,既是生长单层SiP二维晶体的巨大突破,也为化学气相输运法生二维晶体材料提供有利支撑。(The invention discloses a method for growing single-layer silicon phosphide crystals, which comprises the following steps: preparing a quartz tube, wherein two ends of the quartz tube are respectively a raw material end and a substrate end, placing a substrate in the substrate end of the quartz tube, placing a raw material and a transport agent in the raw material end of the quartz tube, vacuumizing the quartz tube, and sealing the quartz tube after vacuumizing, wherein the raw material is a mixture of elemental silicon and red phosphorus, and the transport agent is elemental iodine; and simultaneously heating the raw material end and the substrate end of the quartz tube for 5-36 hours, cooling the raw material end and the substrate end to room temperature of 20-25 ℃ along with the furnace after heating, and obtaining a single-layer silicon phosphide crystal on the substrate, wherein the heating temperature of the raw material end is 1000-1150 ℃, and the heating temperature of the substrate end is 600-950 ℃. The invention realizes the growth of the monolayer silicon phosphide two-dimensional crystal for the first time by utilizing the chemical vapor transport method, which is a great breakthrough in the growth of the monolayer SiP two-dimensional crystal and provides a favorable support for the chemical vapor transport method to produce the two-dimensional crystal material.)

生长单层磷化硅晶体的方法

技术领域

本发明属于单层磷化硅晶体制备技术领域，具体来说涉及一种生长单层磷化硅晶体的方法。

背景技术

目前已知的二维材料各有优缺点，比如石墨烯虽然具有高热导率，高的载流子迁移率，但是石墨烯的“零带隙”使其无法实现半导体的逻辑开关，极大地限制了其在半导体领域的应用；二硫化钼作为一种典型的过渡金属硫族二维半导体化合物，其单层具有直接带隙1.8eV，所以二硫化钼不会受到“零带隙”的约束,其电流开关比高达10⁸，但是这种材料的室温载流子迁移率只有200cm²v^-1s^-1，过低的迁移率限制了它在半导体领域的应用。由此可见,寻找具有合适带隙并且具有高载流子迁移率而且更稳定的二维半导体材料依然是二维材料领域重要的研究课题。磷化硅晶体是IVA-VA新型二维材料的典型代表，其优异的各向异性特征和光电性能，在微电子、能源、催化、非线性光学等诸多领域有巨大的应用潜力。

通常利用机械剥离法获得二维磷化硅晶体，但很难获得层数、大小可控的二维磷化硅晶体，而且产量低。由于其理化性质不稳定，所以用常规二维晶体生长方法很难制备。液相剥离法制备薄层磷化硅晶体很容易污染样品、样品性质容易发生改变，而且不容易在横向纵向上控制厚度；由于磷具有较高的饱和蒸汽压、硅具有较高的熔沸点，所以用化学气相沉积法(CVD)去制备磷化硅晶体很难实现；薄膜外延制备磷化硅晶体成本很高；物理气相沉积法(PVD)制备磷化硅晶体虽然可以进行合成，但首先需要原料合成步骤繁琐，其次易引入杂质。

发明内容

针对二维磷化硅晶体制备困难的问题，本发明的目的在于提供一种生长单层磷化硅晶体的方法，该方法通过改进传统生长晶体的化学气相输运法(CVT)法，可以一步制备单层磷化硅晶体。

本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的。

一种生长单层磷化硅晶体的方法，包括以下步骤：

1)准备石英管，所述石英管的两端分别为原料端和基底端，在所述石英管的基底端内放置一基底，在所述石英管的原料端内放置原材料和输运剂，对所述石英管进行抽真空，抽真空后密封所述石英管，以使该石英管的管内压强为4×10^-6～4×10^-4Pa，其中，所述原材料为单质硅和红磷的混合物，输运剂为单质碘；

在所述步骤1)中，所述基底为蓝宝石。

在所述步骤1)中，所述石英管的长度为15～50cm，内径为10～20mm。

在所述步骤1)中，按质量份数计，所述原材料和输运剂的比为(2～6)：(1～3)。

在上述技术方案中，所述原材料的质量为2～6mg。

在所述步骤1)中，按质量份数计，所述单质硅和红磷的比为(1～6):1。

2)对所述石英管的原料端和基底端同时加热5～36h，加热后随炉冷却至室温20～25℃，在基底上得到单层磷化硅晶体，其中，所述原料端的加热温度为1000～1150℃，所述基底端的加热温度为600～950℃。

在所述步骤2)中，所述原料端和基底端之间温度的梯度为1.6～14℃/cm。

本发明利用化学气相输运法第一次实现了单层磷化硅(SiP)二维晶体的生长，既是生长单层SiP二维晶体的巨大突破，也为化学气相输运法生二维晶体材料提供有利支撑。

附图说明

图1为本发明实施例1得到的单层磷化硅晶体的光学显微镜照片；

图2为本发明实施例1得到的单层磷化硅晶体的原子力显微镜(AFM)的照片；

图3为本发明实施例1得到的单层磷化硅晶体的拉曼光谱。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

单质硅(Si)：纯度≥99.999％，Alfa Aesar

红磷(P)：纯度≥99.999％，Alfa Aesar

单质碘(I₂)：纯度≥99.999％，Alfa Aesar

OLYMPUS-bx53m-显微镜

WiTec共聚焦拉曼与原子力显微镜连用系统(Raman-AFM)

因为磷单质具有较高的饱和蒸汽压，硅单质具有较高的熔点，所以要在密闭的容器中进行合成，CVT法可以实现密闭、高真空反应，通过调节热力学与动力学影响因素去精准控制磷化硅的制备。

实施例1

一种生长单层磷化硅晶体的方法，包括以下步骤：

1)准备石英管，石英管的长度为30cm，内径为11mm，石英管的两端分别为原料端和基底端，在石英管的基底端内放置一基底，基底为蓝宝石，在石英管的原料端内放置原材料和输运剂，对石英管进行抽真空，抽真空后密封石英管，以使该石英管的管内压强为2*10^{- 4}Pa，其中，按质量份数计，原材料和输运剂的比为1:1。原材料为单质硅和红磷的混合物，原材料的质量为2mg，按质量份数计，单质硅和红磷的比为1:1，输运剂为单质碘；

2)使用管式炉对石英管的原料端和基底端同时加热36h，加热后随炉冷却至室温20～25℃，在基底上得到单层磷化硅晶体，其中，原料端的加热温度为1025℃，基底端的加热温度为950℃，原料端和基底端之间温度的梯度为2.5℃/cm。

实施例2

一种生长单层磷化硅晶体的方法，包括以下步骤：

1)准备石英管，石英管的长度为30cm，内径为11mm，石英管的两端分别为原料端和基底端，在石英管的基底端内放置一基底，基底为蓝宝石，在石英管的原料端内放置原材料和输运剂，对石英管进行抽真空，抽真空后密封石英管，以使该石英管的管内压强为2*10^{- 4}Pa，其中，按质量份数计，原材料和输运剂的比为1:1。原材料为单质硅和红磷的混合物，原材料的质量为6mg，按质量份数计，单质硅和红磷的比为1:1，输运剂为单质碘；

2)使用管式炉对石英管的原料端和基底端同时加热10h，加热后随炉冷却至室温20～25℃，在基底上得到单层磷化硅晶体，其中，原料端的加热温度为1050℃，基底端的加热温度为870℃，原料端和基底端之间温度的梯度为6℃/cm。

实施例3

一种生长单层磷化硅晶体的方法，包括以下步骤：

1)准备石英管，石英管的长度为30cm，内径为11mm，石英管的两端分别为原料端和基底端，在石英管的基底端内放置一基底，基底为蓝宝石，在石英管的原料端内放置原材料和输运剂，对石英管进行抽真空，抽真空后密封石英管，以使该石英管的管内压强为2*10^{- 4}Pa，其中，按质量份数计，原材料和输运剂的比为1:1。原材料为单质硅和红磷的混合物，原材料的质量为2mg，按质量份数计，单质硅和红磷的比为1:1，输运剂为单质碘；

2)使用管式炉对石英管的原料端和基底端同时加热15h，加热后随炉冷却至室温20～25℃，在基底上得到单层磷化硅晶体，其中，原料端的加热温度为1050℃，基底端的加热温度为925℃，原料端和基底端之间温度的梯度为4.17℃/cm。

上述方法结束后在基底上发现单层磷化硅晶体。

图1为本发明实施例1得到的单层磷化硅晶体的光学显微镜照片；

图2为本发明实施例1得到的单层磷化硅晶体的原子力显微镜(AFM)的照片，测得其厚度为0.83nm，与理论计算0.78nm大致相等，可以确定制备的是单层磷化硅；

图3为本发明实施例1得到的拉曼光谱，通过拉曼图谱证明得到的是磷化硅晶体。

实施例1和2能够获得与实施例1一致的技术效果。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。