一种可控制备正交相硫化亚锡二维单晶纳米片的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及二维半导体技术领域。更具体地，涉及一种可控制备正交相硫化亚锡(SnS) 二维单晶纳米片的方法。
【背景技术】
[0002]范德瓦尔斯晶体是最近几年兴起的一类新型材料，其显著特征是分子层内以较强的共价键结合，而分子层之间则是依靠较弱的范德瓦尔斯作用力链接在一起。这个特征使这类材料容易形成超薄二维结构，其厚度甚至可以达到单分子层或者几个分子层的厚度。超薄的二维结构与原子级的光滑平面使其相对于体材料更利于静电调控，利于发展沟道更短、栅极更小的电子器件，最终形成高度集成的低功耗电子电路。此外，研究证明超薄二维结构拥有优异的力学性能，因此这些二维材料在超薄、超轻可折叠光电器件中拥有巨大的应用潜力。最近，二维材料的研究从传统的类金属性质的石墨烯扩展到其它二维材料，例如二维半导体材料二硫化钼、二砸化钼、二硫化锡、黑磷等，其中IV-VI族金属一硫化合物格外引人注目。相对于石墨烯，这些半导体材料有着理想的带隙结构，这一特征使它们在微电子及光电子领域具有更大的应用前景。此外，IV-VI族金属一硫化合物是一种环境友好的材料，且由地球上丰富的元素组成，成本低廉，在热电电子学、太阳能电池、光催化、超级电容、离子电池等领域表现出巨大的应用潜力。(de Kergommeaux,A.;Lopez-Haro，Μ.；Pouget,
S.；Zuo,J.-M.；Lebrun,C.；Chandezon，F.；Aldakov,D.；Reiss ,P.Synthesis，InternalStructure , and Format1n Mechanism of Monodi sperse Tin SulfideNanoplatelets.J.Am.Chem.Soc.2015,137,9943-9952.)
[0003]硫化亚锡(SnS)是较为典型的IV-VI族金属一硫化合物，属于正交晶系，表现为扭曲的盐岩晶体结构。它是一种P型半导体，拥有一个直接带隙(1.3eV)和一个间接带隙(1.07eV)。由于其在可见光区域较高的高吸收系数和低毒性，SnS常常被用作光伏太阳能电池中的光吸收材料，用于替代昂贵且毒性较大的铜铟镓砸(CIGS)和碲化镉(CdTe)。(Steinmann,V.；Jaramillo,R.；Hartman,K.；Chakraborty,R.；Brandt,R.E.；Poindexter,J.R.；Lee ,Y.S.；Sun ,L.Z.；Polizzotti, A.；Park,Η.Η.；Gordon,R.G.；Buonassisi，T.3.88%Efficient Tin Sulfide Solar Cells using Congruent ThermalEvaporat1n.Adv.Mater.2014，26，7488-7492.)最近的研究表明SnS二维纳米结构在微纳电子学和光电子学中有着巨大的应用前景。例如，基于超薄SnS纳米带的光探测器已经被成功制备，其光响应时间和光电导增益可达lms和104，有望弥补石墨烯在半导体光电子学领域中的不足。(Deng，Ζ.Τ.; Cao，D.; He，J.; Lin，S.； Lindsay , S.M.； Liu , Y.So lut 1nSynthesis of U1trathin Single-Crystalline SnSNanoribbons for Photodetectorsvia Phase Transit1n and Surface Processing.ACS Nan0.2012，6，6197_6207.)此外，Tritsaris利用第一原理计算研究了单层、几层和体SnS，结果表明SnS的光电性质具有显著的厚度依赖性，这为SnS在微纳器件中的应用提供了理论指导jTr i tsar is，G.A.； Malone,B.D.；Kaxiras，E.0ptoelectronic properties of single-layer,double-layer,andbulk tin sulf ide:A theoretical study.J APPL PHYS.2013，113.)特别值得注意是最近的报道指出 SnS的热导率(Guo，R.Q.； Wang , X.J.； Kuang , Y.D.； Huang , B.L.First-principles study of anisotropic thermoelectric transport properties of IV-VIsemiconductor compounds SnSe and SnS.Phys.Rev.B.2015，92.)、压电效应(Fei，R.X.，Li,ff.B.,Li,J.,Yand,L.Giant Piezoelectricity in Monolayer Group IVMonochalcogenides:SnSe,SnS,GeSe and GeS.Giant Piezoelectricity in MonolayerGroup IV Monochalcogenides:SnSe，SnS,GeSe and GeS.arXiv:1508.06222v2or arXiv:1508.06222.2015.)和自旋输运(Shi，G.;K1upakis，E.Anisotropic Spin Transport andStrong Visible-Light Absorbance in Few-Layer SnSe and GeSe.Nano Lett.2015,15,6926-6931.)具有明显的各向异性，为调控电学、热学、光学等引入了一个新的自由度，有利于开发基于各向异性的新型功能器件。
[0004]目前为止，制备SnS的方法主要包括剥离法、(Brent,J.R.；Lewis,D.J.；Lorenz，T.；Lewis,E.A.；Savjani,N.；Haigh,S.J.；Seifert,G.；Derby,B.；0'Brien,P.Tin(II)Sulf ide(SnS)Nanosheets by Liquid-Phase Exfoliat1n of Herzenbergite:1V-VIMain Group Two-Dimens1nal Atomic Crystals.J.Am.Chem.Soc.2015,137,12689-12696.)化学合成法、(Deng，Z.T.；Cao,D.；He , J.；Lin,S.；Lindsay, S.M.;Liu，Y.Solut1nSynthesis of Ultrathin Single-Crystalline SnSNanoribbons for Photodetectorsvia Phase Transit1n and Surface Processing.ACS Nan0.2012，6，6197_6207.)原子层沉积技术((Sinsermsuksakul ,P.；Heo,J.；Noh,ff.；Hock,A.S.；Gordon,R.G.Atomic LayerDeposit1n of Tin Monosulfide Thin Films.Advanced Energy Materials.2011,1,1116-1125.)等。对于半导体工业领域而言，这些制备方法都有一定的局限性。例如剥离法，虽然可以获得高质量的SnS单晶纳米片，但此方法重复性差，制备出的纳米片面积相对较小、数量少，不适用于大规模电子器件集成;化学合成的SnS形貌不均一且结晶性较差，表面缺陷较多，会降低载流子迀移率。
[0005]因此，需要提供一种可控制备正交相SnS二维单晶纳米片的新方法。
【发明内容】
[0006]本发明的一个目的在于提供一种可控制备正交相SnS二维单晶纳米片的方法。
[0007]在本发明中，申请人采用了一种新的方法来制备高质量的SnS二维单晶纳米材料。该方法操作简单、重复性高、可控性强，制备出的SnS纳米片面积大、均匀性好、质量高，并且容易转移到其它衬底，便于大规模光电器件的研发和应用。
[0008]为达到上述第一个目的，本发明采用下述技术方案:
[0009]一种可控制备正交相SnS 二维单晶纳米片的方法，所述方法包括如下步骤:
[0010]1)选取具有原子级平整光滑的衬底作为SnS的生长衬底；
[0011]2)将衬底置于水平管式炉的加热中心下游，距离加热中心8-20cm，将SnS粉末放入耐高温容器中，将耐高温容器置于水平管式炉的加热中心；
[0012]3)对管式炉抽真空，待炉内压强降至0.1Pa时，充入不活泼气体使管式炉腔内压强回到20-300Torr，并保持不活泼气体流速在20-200sccm间；
[0013]4)将水平管式炉加热中心升温至600-800°C，升温速率保持为5-20°C/min间，反应时间为5-30分钟；
[0014]5)反应结束后，待管式炉腔内温度自然降温到室温后，取出衬底，衬底表面即生长有硫化亚锡二维单晶纳米片。可以观察到氟金云母片