[发明专利]一种PVD技术生长大尺度IV-VI族化合物单晶薄膜材料的方法

说明书

本发明公开了一种PVD技术生长大尺度IV‑VI族化合物单晶薄膜材料的方法，具体包括三个主要阶段：第一阶段是准备材料，优化选择多晶粉源的重量；第二阶段将粉源和衬底放入石英管中，设置好粉源和衬底分别在石英管中的位置；第三阶段利用物理气相沉积技术生长单晶薄膜，通过优化粉源的升温速率、保温温度和时间，衬底温度，气流速度，制备出大尺度和具有规则条带形状的层状薄膜材料，为大尺度IV‑VI族单晶薄膜的实验制备及其应用奠定了重要的技术基础。

技术领域

本发明涉及新材料技术领域，更具体的说是涉及一种PVD技术生长大尺度IV-VI族化合物单晶薄膜材料的方法。

背景技术

石墨烯是由碳原子通过SP²杂化与它相近的三个碳原子形成120°的σ键，构成蜂窝状的结构。石墨烯的简单结构有很多独特的物理现象，包括狄拉克费米子、分数和室温量子霍尔效应、最小量子传导等。石墨烯具有众多良好的性能，例如最轻的载流子质量、最高的电流密度、室温下最长的平均自由程、最高的载流子迁移率等，其中超高的载流子迁移率为开发快速的电子器件提供潜力。然而，石墨烯超高的迁移率是由零带隙引起的，缺乏一个本征的禁带宽度导致石墨烯晶体管的开/关电流比很低，限制了其广泛应用。因此，需要开发其它具有宽的可调带隙的二维材料来实现多功能的纳米级光电器件。

层状IV-VI族化合物是一类新兴的半导体材料群体，包括SnS、SnSe、GeS、GeSe等。半导体材料与技术在光电探测领域的发展和应用急需既可以满足从可见-红外波段的探测，又具备高速的光响应特性，同时要求优良的化学稳定性等，IV-VI族化合物二维材料中的GeSe则是能够较好地满足这几点要求的新型半导体材料。在IV-VI族化合物二维材料中，GeSe单晶薄膜具有直接带隙的能带结构和扭曲的NaCl晶格结构。以GeSe为代表的IV-VI族化合物具有非常复杂的能带结构，由于该材料晶体结构与石墨烯相似，属于层状材料，且能带结构复杂，光吸收谱范围几乎与整个太阳光波段相重合，因而在近红外光电探测器和电子隧穿器件方面具有极大的应用前景。GeSe单晶薄膜材料具有极低的载流子有效质量，单层GeSe的有效载流子质量小于0.1m₀，且单原子层中的载流子质量也是应变可调的，可调范围在0.03-0.61m₀之间，预示着这种材料将具有极高的载流子迁移率。此外，GeSe单晶还具有很高的表面抗氧化性和表面惰性，表面极难产生悬挂键，这也意味着该材料具有优良的稳定性，和高速的光电响应速率。这些性质使得GeSe单晶薄膜在微机械、电热性、光电子学等方面都具有极高的应用价值。密度泛函理论(DFT)的计算表明，单层GeSe的结构除了最常见的层状α-GeSe之外，还存在着β-GeSe、γ-GeSe、δ-GeSe和ε-GeSe四种结构。五种硒化锗同素异构体的结合能和能带结构，α-GeSe、β-GeSe、γ-GeSe、δ-GeSe和ε-GeSe的结合能分别为3.88eV、3.85eV、3.83eV、3.87eV、3.78eV，均为半导体属性。GeSe的这五种多态结构展现出了多种类型的能带结构，这对于光电子和光子方面有着非常重要的作用。α-GeSe、γ-GeSe、δ-GeSe和ε-GeSe为各向异性结构，β-GeSe为各向同性结构，α-GeSe是在这五个晶型中形成能最高的形式，其正交结构在空气中也是最稳定的。