[发明专利]一种硒化锑晶体、其制备方法及应用

说明书

本发明公开一种硒化锑晶体、其制备方法及应用。本发明通过磁控溅射法制备硒化锑非晶预制层，硒化时将硒源和预制层分别置于双温区快速退火炉的两端，调节载气流量、硒化气压和双温区快速退火炉两端的升温程序，使硒化气压远低于硒源温度下单质硒的饱和蒸汽压，提高硒化时的硒通量，得到一个沿（hk0）取向生长的大晶粒硒化锑晶体。采用本发明的方法制备的硒化锑晶体沿（hk0）取向生长且具有较大的晶粒，有效避免了晶界和悬挂键对载流子传输的影响，提高了在特定方向上载流子的传输速率，能够有效提高光电化学产氢效率，在光电化学领域具有广泛应用。

技术领域

本发明属于光电材料制备领域，具体涉及一种硒化锑晶体、其制备方法及应用。

背景技术

硒化锑是一种二元化合物半导体，组成元素锑、硒低毒且具有丰富的储量，硒化锑禁带宽度合适（~1.1eV），具有优异的吸光性能（吸光系数＞10⁵cm^-1），近年来在光电领域备受关注。硒化锑晶体具有独特的准一维带状结晶结构，带内原子间是通过共价键相连接的，而带间则是通过范德华力堆砌在一起，从而致使载流子在带内的传输速率远大于带间的传输速率，因此硒化锑材料在光、电学性质具有很强的各向异性。

硒化锑晶体由于本身晶体结构，在悬挂键和晶界处能够形成较多的复合中心，作为陷阱俘获自由载流子，导致载流子在不同取向、不同晶粒间迁移率较低（电子传输速率μ≈ 15 cm² V^-1 s ^-1），这限制了硒化锑在光电领域的应用。目前，优质的硒化锑晶体薄膜的制备方法有快速热蒸发法（RTE）、近空间升华法（CSS）、气相传输沉积法（VTD）、原位加热磁控溅射法及磁控溅射后硒化法等，为了提高硒化锑晶体薄膜的载流子迁移率，控制生长条件使薄膜沿（001）择优取向，得到贯穿整个薄膜的晶粒，来提高载流子的传输速率，获得更优秀的光电性能。然而上述的硒化锑晶体薄膜制备方法仍然具有一定的局限性，晶粒尺寸限制在1-2μm，取向杂乱，（001）取向比重（峰强度比重）较低。寻找一种能够制备更大晶粒，取向更一致的硒化锑晶体薄膜，能够将其分离制备硒化锑单晶、硒化锑层、硒化锑棒等结构，更能够发挥硒化锑晶体本身特点，扩大硒化锑材料在光电领域的应用一直是本领域研究人员追寻的目标。

发明内容

本发明的目的是提供一种硒化锑晶体、其制备方法及应用，本申请的制备方法能够制备沿（hk0）取向的大晶粒硒化锑晶体，有效避免现有硒化锑晶体薄膜制备过程中产生的混合取向和晶粒较小的缺陷，从而提高光电化学产氢效率。

基于上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种硒化锑晶体的制备方法，包括如下步骤：

（1）采用射频磁控溅射工艺在待制膜基底上制备非晶硒化锑预制层，非晶硒化锑预制层厚度500nm ~2000nm，其中非晶预制层中硒摩尔含量为0-45%；

（2）将得到非晶硒化锑预制层置于双温区快速退火炉的一端，硒源置于另一端，并设置相应的升温程序，预制层端升温程序设定为：升温速率为0.1~ 10℃/s，恒温温度为350℃~480℃，维持温度的时间为300s~1300s，硒源为硒粉或者硒粒，硒源端升温程序设定为：升温速率为0.1~ 12℃/s，恒温温度为400℃~700℃，维持温度的时间为300s~1300s；载气为氩气，载气流量设定为10sccm~150sccm，硒化气压设定为0.1 Torr~20Torr，待程序完全结束后，温度降至200℃时，打开快速退火炉炉盖，使其继续降温，当硒化锑薄膜端的热电偶温度显示为100℃以下时，破真空，取出样品，即得沿（hk0）取向生长为大晶粒的硒化锑薄膜。

进一步地，待制膜基底为SLG/Mo、SLG或SLG/FTO。

进一步地，预制层端升温程序具体设定为：C1：30，T1：50，C2：300，T2：300，C3：300，T3：40，C4：350~520，T4：600-900，C5：350~520，T5：终止程序，C表示温度，单位是℃，T表示时间，单位是秒。