[发明专利]基于固源化学气相沉积法生长单晶黑磷的方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种半导体材料制备领域的技术，具体是一种基于固源化学气相沉积法 生长单晶黑磷的方法。

背景技术

黑磷是一种电学特性优异的可调半导体材料。与石墨烯相比，黑磷具有能隙且与硅具有 良好的相容性，其在场发射晶体管、光电转换器、二次电池等元器件的开发中具有巨大的潜在 应用价值。黑磷的传统制备方法是将白磷在高压下，或在常压下用汞作催化剂，以少量黑磷作 为晶种，在493～643开尔文下加热8天，制备周期长、纯度低、性能不稳定。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN105133009A，公开(公告)日2015.12.9， 公开了一种正交晶系黑磷单晶的制备方法，该方法包括：在设置有相互连通的第一区域和第二 区域的反应体系中，且在真空条件下，使得红磷、金属锡和碘单质在反应体系的第一区域进行 接触反应，其中，在所述接触反应过程中，将所述反应体系的第一区域的温度升至550-800℃， 将所述反应体系的第二区域的温度升至400-700℃，且将所述反应体系的第一区域的温度升至 比所述反应体系的第二区域的高的温度。该技术基于碘单质催化剂生长的黑磷质量难以满足工 业技术需要。

中国专利文献号CN104310326A，公开(公告)日2015.1.28，公开了一种具有高转化率 的黑磷制备方法，包括如下步骤：将红磷、锡和四碘化锡按质量比为1～6:40～50:1～2的比例 混合，装入石英管中，抽真空至石英管内压强小于0.05pa，封管，加热使石英管中原料端温度 为100℃～400℃，再在1～2小时内升温至400℃～700℃，保温5～10小时，然后在6～8 小时内降温至200℃～500℃,保温1至3天，最后在10～15小时内降温至室温，得到黑磷。 该技术涉及的黑磷生长所需最短时间超过24h，难以实现大规模快速生产。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出了一种基于固源化学气相沉积法生长单晶黑 磷的方法，能够实现高纯度黑磷的快速制备。

本发明是通过以下技术方案实现的，

本发明通过在真空条件下将红磷、金属锡和四碘化锡置于密封腔的一端作为高温区，并 预留密封腔的另一端作为低温区；然后分别加热高温区和低温区进行反应，并采用梯度方式进 行降温，在低温区即得单晶黑磷。

所述的红磷、金属锡和四碘化锡的重量份数比例为10～100:1～10:1，其中催化剂锡和四 碘化锡的配比是影响黑磷制备的重要因素。

所述的高温区和低温区独立升温、同步降温，优选通过石英安瓿瓶实现，具体为：将石 英安瓿瓶的一端作为高温区，另一端作为低温区，其中降温控制为影响黑磷制备的关键因素。

所述的梯度降温方式中降温阶段为5～10min内降温10℃，保温阶段时间为0.5～2h。

所述的高温区和低温区的温度差为1～200℃。

所述的加热其最高温度为450～1000℃。

所述的生长时间为8～160h。

本发明涉及上述方法制备得到的单晶黑磷，纯度达到99％，其XRD测试谱线峰位位于 (020)、(040)、(060)。

本发明涉及上述单晶黑磷的应用，可用于制备：场效应晶体管、二极管、太阳能光伏电 池、光电探测器件。

技术效果

与现有技术相比，本发明能够实现高纯度单晶黑磷的快速制备。纯度可到99％，制备周 期为8h～160h，相对于传统方法所需的8天制备时间该技术效率具有显著提升。

附图说明

图1为实施例1制备的黑磷实物图。

图2为实施例1制备的黑磷SEM图。

图3为实施例1制备的黑磷XRD测试谱图。

图4为实施例1制备的黑磷Raman测试谱图。

具体实施方式

以下实施例中均使用：纯度99.999％的红磷，纯度99.999％的阿拉丁；锡，纯度99.998％ 的AlfaAesar；四碘化锡；石英安瓿瓶长度为8-14cm。

实施例1

本实施例包括以下步骤：

S₁，将红磷、金属锡和四碘化锡按10～100:1～10:1的重量份数比例充分混合后密封于 石英安瓿瓶一端，将该端作为高温区，另一端作为低温区；抽真空至石英安瓿瓶内压强低于 0.01Pa；