[发明专利]一种二维硅烯薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及二维硅烯薄膜及其制备方法，特别地涉及一种采用气态硅源在催化层上生长硅烯薄膜的方法。

背景技术

纳米材料包括零维、一维和二维材料，纳米材料具有与体材料不同的光电、化学、热等性能；相对于已有20多年研发历史的一维及零维纳米结构，真正对二维纳米材料的研发是近几年的事情，特别是2004年来对石墨烯的研究。二维纳米材料主要有由元素周期表中第四主族元素构成层状薄膜如石墨烯(由碳元素组成)、硅烯(由硅元素组成)和锗烯(由锗元素组成)、金属硫族化合物如MoS₂，WS₂和GaS等，以及氮化硼等层状材料。目前，研究较多的二维纳米材料是石墨烯薄膜，受对石墨烯研究及其独特性能的影响，其它的类石墨烯的二维薄膜也越来越受到研究者的关注。

二维纳米材料如石墨烯具有其它维(零维、一维和三维)纳米材料没有的特性如奇异量子霍尔效应等，由于其二维的特征，比起其它维纳米材料而言，更兼容于当代的半导体平面制备工艺。已有理论研究表明：除了具有与石墨烯类似的电子性能外，硅烯还具有石墨烯没有的拓扑绝缘特性，使得硅烯可以用于制备自旋电子器件，因此，硅烯具有广泛的应用前景。

对于碳材料而言，碳纳米管是一维纳米材料，而石墨烯是二维纳米材料；对于硅材料来说，硅纳米线是一维纳米材料，而硅烯是二维纳米材料。已有的研究表明：碳纳米管与石墨烯都可以在有催化剂的条件下利用物理气相沉积(physical vapor deposition，PVD)方法制备，比如使用Fe，Ni等催化剂既可以合成碳纳米管[Synthesis of aligned carbon nanotubes，C.M.Seahetal.Carbon 49，4613(2011)]也可以合成石墨烯[中国专利申请号201010249002.6]。尽管碳纳米管和石墨烯两者的合成方法基本一样，但研究人员能够可控地制备一维的碳纳米管或者二维的石墨烯，其维度可控(一维或二维)的主要因素之一是催化剂的结构；合成一维的碳纳米管时的金属催化剂是金属纳米颗粒(尺寸基本上都小于500nm)[Silicon nanowhiskers grown on<111>Si substrates by molecular-beam epitaxy，L.Schubert，et al.Appl.Phys.Lett.84，4968(2004)]或者非常薄的金属薄膜(一般厚度小于10nm，这样厚度的薄膜在一定的温度下容易破裂而形成纳米颗粒)[Synthesis of aligned carbon nanotubes，C.M.Seahetal，Carbon 49，4613(2011)]，而合成二维的石墨烯薄膜时的金属催化剂则是厚度大于20nm的金属薄膜[Graphene growth using a solid carbon feedstock and hydrogen，H.X.Ji，et al.ACS Nano 5，7656(2011)]。