[发明专利]一种基于二维材料CrPS4

说明书

本发明提出一种基于二维材料CrPS₄异质结的可见‑近红外光电探测器的构筑及其制备方法，红磷、金属铬粉、硫粉三种混合粉末放入石英管中并采用氩气密封，密封好的石英管放入双温区加热炉中生长二维材料，高温区温度为700‑800℃，低温区温度为600‑700℃，保温10天后，得到亮黑色的CrPS₄。采用机械剥离的方法剥离二维材料CrPS₄，叠层过渡族金属硫化物二硫化钼，形成CrPS₄‑MoS₂异质结，异质结具有良好的整流特性、快的响应速度以及可见‑近红外光电探测特性，可以在室温下使用，不需要冷却系统。CrPS₄‑MoS₂异质结可以拓展于二维材料相关的微电子器件及光电探测器领域的应用，更好的满足下一代集成电路的发展要求。

技术领域

一种基于二维材料CrPS₄异质结的可见-近红外光电探测器构筑方法，具有高的整流特性，宽的光谱响应区间，及与传统硅探测器相比具有高的灵敏度和快速响应。本发明属于微电子半导体材料光电探测领域，具体涉及一种具有可见-近红外光响应的二维异质结器件构筑方法。

背景技术

传统短波红外成像光电探测器，其依赖于HgCdTe或InAs/GaSb II型超晶格和InGaAs/GaAsSb型II型量子阱，存在原料毒性强、材料均匀性差、收益低等问题。另外，HgCdTe短波红外成像光电探测器，类似于其他基于常规窄带隙半导体的光电探测器，必须在低温下操作，以减弱暗电流或热噪声确保高探测能力。基于二维材料的异质结器件具有不同于传统材料的一些独特优势，其多功能范德华界面具有优异的光学和电学特性，近年来在光电探测领域受到了广泛地研究。然而，单独的二维材料由于受到本征带隙的限制，只能对波长大于带隙的光产生响应，低于带隙的光不能使电子从价带跃迁到导带，这就制约了其在微电子光电探测器的应用。而通过形成异质结的方式，可以产生带间跃迁，实现对宽波段的红外光产生响应。

二元过渡族异质结构得到了广泛的探索，然而，这类异质结对于层间跃迁电子的光吸收和响应度低，有的甚至没有层间电子跃迁的光响应，限制了二元过渡族异质结在近红外光谱探测的应用。如何进一步减小二元过渡金属硫族化合物的带隙，实现更宽光谱范围的响应，是目前需要研究的问题。三元过渡族具有与二元过渡族相似的结构及带隙，通过合理选择三元过渡族化合物，构筑异质结器件，可以实现层间跃迁。因此，本发明提供了一种基于二元MoS₂/三元CrPS₄的新异质结及其制备方法。用于制备成本低、响应度高、整流特性好的二维材料异质结光电探测器；通过采用二维材料CrPS₄，基于层间耦合原理，减少对本征带隙的依赖，调整带隙到0.8eV，构筑垂直异质结结构，从而提高过渡族TMDC光电探测器的光谱响应范围，获得的光电探测器光响应灵敏、探测能力高、应用领域广泛。

本发明的目的是提出一种基于二维材料CrPS₄异质结的可见-近红外光电探测器构筑方法。

一种二维材料CrPS₄的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

(1)原材料的总质量为1-3克，原材料为红磷、金属铬粉、硫粉，纯度均≥99.99％；

(2)原材料的封装在氩气气氛中，封装后，石英管内为高真空，真空度小于10^-5bar；

(3)将封装好的石英管放入水平双温区管式炉中，高温区温度为700-800℃，低温区温度范围为600-700℃，到达最高温时，石英管内气压为2-5atm，保温时间为7-14天；。

(4)冷却到室温可以在低温区得到亮黑色的CrPS₄单晶，CrPS₄单晶为薄片状；

进一步地，所述的红磷大小为0.5-3mm，铬粉、硫粉的颗粒大小为100-200目；