[发明专利]一种二维超导纳米集成电路的无损制备方法

说明书

本发明公开了一种二维超导纳米集成电路的无损制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：首先在基底上生长出超薄过渡金属薄膜；接着利用电子束曝光和反应离子刻蚀得到超导金属薄膜的纳米集成电路器件；随后利用拓扑化学转化法原位将金属薄膜纳米器件转变成二维超导薄膜的纳米集成器件；最后在器件上生长一层绝缘材料即可得到二维超导纳米集成电路。本发明有效避免了传统微纳加工流程对低维材料的损伤作用，实现对多种低维材料器件的无损制备。同时，利用本方案可以实现多种器件结构制备，进而进行调控器件的性能。

技术领域

本发明属于二维超导材料的微纳加工制备技术领域，尤其涉及一种二维超导纳米集成电路的无损制备方法。

背景技术

在无机半导体薄膜中，当薄膜厚度降至二维材料的极限时，薄膜往往会发生一系列新奇的特性变化。如石墨烯会随着厚度的变化导电性也会发生一系列的改变；低维钙钛矿材料具有更高的载流子迁移率和激子束缚能而广泛运用于探测器和LED等发光元件中；过渡金属硫属半导体化合物的带隙会随着层数的减少而增加；同样地，对于二维层状超导薄膜而言，当其厚度降低至单层或者几层时，其超导电学特性、光学特性较体材料有着更加优异和易于调控的优点。

目前，生长过渡金属硫属化合物主要有以下几种方法：机械剥离法，锂离子插层法，液相剥离法，化学气相沉积法。(1)机械剥离法。该方法主要是将所需要剥离的二维结构晶体材料放置在透明胶带上，然后进行反复黏贴以得到超薄的层状薄片。该方法最大的优点就是制备工艺简单，且能够得到纯度高的超薄薄片，但是在剥离过程中尺寸不易控制且重复性差，制备的产品产量极低。(2)锂离子插层法。该方法主要是在锂离子电池装置中，锂作为电池的阳极，二维晶体作为阴极，在放电过程中将锂离子嵌入二维材料层并形成嵌锂化合物，嵌锂化合物在水或乙醇溶剂中剧烈反应产生大量氢气增大层间距，最终剥离得到单层、少层的层状材料。该方法能得到纯度较高的薄层材料，但是所得到的材料大小不易控制，难以成为超导集成电路材料制备的主要方法。(3)液相剥离法。该方法一般是通过将大块二维晶体材料和适当的溶剂如乙醇，N,N-二甲基甲酰胺(DMF)或N-甲基吡咯烷酮(NMP)混合并超声处理，其中超声处理能够使二维材料的层间范德华力断开，且溶剂和二维材料的相容的表面能使剥脱的片层在溶剂中能够均匀分散。液相剥离法操作方法简单，且能够大规模的制备低维纳米片，但是，长时间超声处理会使得所得到的纳米薄片尺寸小，而且超声过程中往往用到有机溶剂往往对纳米薄片有很大的损伤作用，难以适用于超导集成电路。(4)化学气相沉积法。该方法主要是利用金属氧化物与盐颗粒在高温下进行融化产生的蒸汽压与硫化氢/硒化氢/碲化氢反应，并在基底上进行成核生长。该方法能够得到大面积的薄膜材料，但是该类材料在经过微纳加工工艺处理后，其材料性能严重退化，这一局限性严重限制了其在超导集成电路上的运用。

综上，目前超导材料的制备往往存在很大的局限性。常规的器件制备工艺会损伤二维超导材料，包括其电学性能及表面结构。因此，找到一种合适的超导纳米集成电路的制备方法显得十分重要。

发明内容

发明目的：本发明旨在提供一种加工过程稳定、不损伤二维超导材料的电学性能和结构表面的二维超导纳米集成电路的无损制备方法。

技术方案：本发明的一种二维超导纳米集成电路的无损制备方法，所述方法包括以下步骤：首先在基底上生长出超薄过渡金属薄膜；接着利用电子束曝光和反应离子刻蚀得到超导金属薄膜的纳米集成电路器件；随后利用拓扑化学转化法原位将金属薄膜纳米器件转变成二维超导薄膜的纳米集成器件；最后在器件上生长一层绝缘材料即可得到二维超导纳米集成电路。

上述方案中，无需进行二维超导薄膜的转移，直接原位将金属薄膜纳米器件转变成二维超导薄膜的纳米集成器件，制备出的二维超导薄膜缺陷少，纳米电路的电学性能优异。

优选的，所述金属薄膜材料为Nb、Ti、Ta、Mo或W金属薄层。

优选的，所述基底为Si、SiO₂或Si₃N₄基底。