[发明专利]一种大面积连续超薄二维Ga2

说明书

本发明属于半导体材料生长制备与应用技术领域，具体为一种大面积连续超薄二维Ga₂O₃非晶薄膜的制备方法与应用。利用Ga金属低熔点和室温表面易氧化的特性，采用PDMS柔性粘性衬底与流动的液态Ga金属接触，通过印刷方法制备超薄连续的二维Ga₂O₃非晶薄膜；进一步将其作为模版并进行不同气氛的高温处理，可以制备系列二维Ga系非晶、多晶和单晶二维连续超薄半导体薄膜材料。该方法简单，成本低廉，可以实现连续大面积甚至晶圆尺寸的二维半导体薄膜材料制备，这对于研究Ga系半导体材料在二维极限条件下的光学、电学、光电子学性能以及构建范德华异质结光电器件方面有着重要的意义。

技术领域

本发明属于半导体材料生长制备与应用技术领域，涉及一种大面积连续超薄的二维(2D)Ga₂O₃非晶薄膜的制备方法与应用，具体为一种以液态金属Ga制备系列二维Ga 系超薄非晶、单晶和多晶半导体薄膜材料(如：二维Ga₂O₃、GaN、GaS、GaSe、GaTe、 GaP、GaAS等)的方法及其在二维光电器件方面的应用。

背景技术

二维材料最早起源于2004年石墨烯的发现，其厚度在原子层级别，小于波尔临界半径尺寸。与传统的块体和薄膜材料相比，二维材料的量子尺寸效应和表面效应更明显，能带结构、光吸收、载流子激发和迁移以及热量的扩散也呈现迥然不同的性质。例如：二维半导体材料的能带结构和带隙随厚度可调，自旋自由度和谷自由度的可控；此外，不同的二维材料由于晶体结构的特殊性质导致了不同的电学特性或光学特性的各向异性，包括拉曼光谱、光致发光光谱、二阶谐波谱、光吸收谱、热导率、电导率等性质的各向异性。

Ga系半导体材料(Ga₂O₃、GaN、GaAs等)是一类优秀的半导体材料体系，在LED 照明、大功率激光器、大功率电子器件、场效应管、太阳能电池等领域已经实现了工业化应用。二维Ga系半导体材料理论上拥有比传统块体材料更丰富和更奇妙的半导体物理光电特性，在新型二维光电和范德华异质结堆垛器件领域将拥有广泛的应用前景。

然而，绝大多数Ga系半导体材料成键方式主要为共价键，属于非本征层状材料，很难通过机械剥离技术，自上而下获得大尺寸原子层厚度的二维材料；也无法通过离子插层技术获得；化学气相沉积技术(CVD)理论上可以实现自下而上的二维材料生长，但是岛状晶核的快速生长，对生长工艺和衬底的选择提出了极高的挑战，且稳定性和可控性较差，无法得到大面积连续生长的二维Ga系薄膜材料。

如何批量制备大面积连续的二维Ga系半导体材料，并从衬底表面无损剥离并转移，是二维半导体材料生长、器件制备和应用研究面临的巨大挑战。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种大面积连续超薄二维Ga₂O₃非晶薄膜的制备方法与应用，不依赖衬底且方法简单、成本低廉，将其作为模板应用于其它二维Ga系半导体薄膜材料的制备。

本发明采取的技术方案是：

一种大面积连续超薄二维Ga₂O₃非晶薄膜的制备方法，以液态金属Ga为原料，基于其表面超薄钝化层的形成原理，控制液态金属Ga与有机柔性衬底接触，利用液态金属的流动性和有机柔性衬底表面的粘性，通过印刷法制备大面积超薄透明的二维 Ga₂O₃非晶薄膜。

所述的大面积连续超薄二维Ga₂O₃非晶薄膜的制备方法，二维Ga₂O₃非晶薄膜的形成主要来源于液态Ga与有机柔性衬底上的吸附氧或空气中的氧反应。

所述的大面积连续超薄二维Ga₂O₃非晶薄膜的制备方法，包含下列步骤：