[发明专利]一种简单的膜厚可调控的黑磷薄膜制备方法

说明书

一种简单的膜厚可调控的黑磷薄膜的制备方法属于二维材料纳米体系制备调控领域，本发明是采用超声辅助液相剥离的方法，先于异丙醇溶液中制备出黑磷量子点。其特征为所述的黑磷量子点尺寸为5‑50nm。随后利用电泳法，阴极连接1cm*2cm尺寸的硅片，阳极连接石墨片电极。通过控制电泳电压，电泳时间，反应液浓度的方法，控制黑磷薄膜的生长，膜厚范围从9nm到3um。该方法操作简单，高效，绿色环保，得到稳定且均匀度高的不同厚度的黑磷薄膜。

技术领域

本发明属于二维材料体系制备调控领域，设计一种简单的膜厚可调控的黑磷薄膜制备方法。

背景技术

黑磷作为一种新型的二维材料因其所具有的良好电学与光电特性，已经受到科研工作者的广泛关注。黑磷属于双极性的窄带隙的半导体，其带隙为直接带隙，单层黑磷的带隙为1.7eV而多层黑磷的带隙为0.3eV；通过研究常温下薄层黑磷晶体的光致发光特性，确定了单双层黑磷晶体分别位于1.65eV和2.15eV的荧光峰，佐证了黑磷晶体从红外和可见光区域的宽带隙调控能力。

目前，最常用的制备黑磷薄膜的方法有以下几种：

1.自上而下制备方法

(1)微机械剥离法

原子层厚二维材料能够通过解离块体单晶材料得到不同层厚的样品，这种用胶带从块体样品上粘下一片并反复剥离的方法称为微机械剥离法。这种方法行之有效的根本原因是二维材料的层与层之间范德华耦合作用力较弱，而层内共价键作用很强，从而可以通过合适的外力在层间解离。机械剥离的方法得到的样品质量很高，表面洁净，样品适合用于材料特性和器件等方面的基础研究。但是，微机械剥离法得到的样品尺寸较小，制备效率低下，样品的质量尺寸和层厚难于控制，因为有着明显的局限性，很难应用于大规模产业化研究。

(2)液相剥离法

液相剥离法是自上而下制备方法中能得到大量样品的途径，这种方法主要通过液相分散介质分散晶体粉末样品，通过超声等手段提供外部作用力，从而得到大量的原子层厚的样品。通过选用不同的分散介质溶液或者在分散剂中添加修饰剂，可以对剥离的样品表面进行修饰和改性，从而得到不同性质的材料。这种方法的缺点是样品质量不可控，所得样品中各层数分布不均，样品质量和尺寸较差，一般用于化学改性方面的研究。

液相剥离法能大量得到原子层厚的微米级样品，但是由于制备过程中与各种化学试剂的作用，使得样品的表面被大量的化学基团吸附修饰，层内也被引入大量的缺陷，以此得到的样品的结构和光电特性与本征样品有着很大的差异。

液相剥离法的主要优点是能大量得到单层的二维晶体材料，并且用过灵活选择分散剂，在二维材料的性能调控上也有独特的优势。但是一些化学试剂的使用需要在活性气体保护下进行，并且对不稳定的晶体样品的适用性较弱，得到样品的随机性和不可控性也使这种方法在能源、催化等领域具备更高的应用。

2.自下而上制备方法

自上而下制备方法在规模化、可控性和样品均一性上存在不尽如人意的方面，因而发展一种能大面积、可控制备均一的高质量样品是二维材料真正走向应用的关键。

(1)化学气相沉积

化学气相沉积(ChemicalVaporDeposition，CVD)法是一种制备高质量半导体薄膜晶体材料的常见方法，指反应物在气态状态条件下通过氧化还原反应，生成固态物质并沉积在衬底或者催化剂的表面。这种方法可以得到大量大面积的薄膜样品，但是难以控制晶粒尺寸和样品的均一性。

(2)物理气相沉积

物理气相沉积与化学气相沉积最显著的区别就是不需要经历氧化还原过程，只经过蒸发沉积的物理过程，这种方法适用于升华温度较低的过渡金属硫化物等化合物二维材料体系。

3.其他辅助方法

(1)激光刻蚀