二维碲化镓材料的制备方法

摘要

本发明公开了一种二维碲化镓材料的制备方法，用于解决现有制备方法制备的碲化镓材料面积小的技术问题。技术方案是以现有的微机械剥离法为基础，在转移过程中，引进温度和压力等参数，提高了二维GaTe材料的尺寸。在原有微机械剥离法剥离-转移步骤的基础上，设计了剥离-转移-再剥离三步微机械剥离法。转移时，在105pa的外加压力和90-110℃条件下进行退火处理。最后使用思高胶带进行再剥离操作，实现GaTe薄片的进一步减薄。由于在转移阶段引入了外加压力下的退火工艺过程以及后续的再剥离减薄过程，稳定得到了大面积的二维GaTe材料。二维GaTe材料尺寸由背景技术的5-60μm提高到200-600μm。

权利要求

1.一种二维碲化镓材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、采用垂直布里奇曼晶体生长法，将Ga:Te按物质的量比1:1进行配料，制备GaTe单晶体；

步骤二、在Ar气氛下的米开罗那Universal 2440-750手套箱内，选取大块表面光滑无褶皱的GaTe块体材料，并沿自然解理面将其分离为多块；

步骤三、在Ar气氛下的米开罗那Universal 2440-750手套箱内，使用思高胶带从表层光亮、损伤较小的GaTe块体材料表面撕离一块厚度为6-8μm的GaTe薄片；

步骤四、在Ar气氛下的米开罗那Universal 2440-750手套箱内，将带有GaTe薄片的思高胶带多次粘合分离，直至胶带表面不再光亮，成功附着较为密集的数百纳米厚度的GaTe片层；为了保护GaTe块体材料平整的表面，剥离时应使GaTe表面与胶带表面充分接触；在胶带分离过程中，要单方向缓慢进行；

步骤五、选择胶带表面层状GaTe分布较为密集且残胶较少的区域进行转移，即将胶带上的GaTe薄片转移到厚度为300nm的SiO2衬底表面；同时使用重物施加105Pa的压力并在90℃-110℃下退火处理22-24h；

步骤六、GaTe片层的减薄，即再剥离：利用3M思高胶带反复粘连，将附着在二氧化硅表面的GaTe进一步剥离，再使用蘸有丙酮的棉球擦除衬底表面的残胶。

说明书

二维碲化镓材料的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种碲化镓材料的制备方法，特别是涉及一种二维碲化镓材料的制备方法。

背景技术

[0002] 以石墨烯、过渡族金属硫族化合物为代表的二维功能材料凭借独特的物理、化学性质及其巨大的研究价值，受到了人们的广泛关注。其中二维GaTe材料属于Ⅲ-ⅦA族化合物半导体，具有较大的原子序数以及合适的禁带宽度，在光电子器件，辐射探测以及太阳能电池等领域都有很高的应用价值。大面积二维GaTe材料的获得能够满足大规模集成电路在较小的区域连续构筑多个MOSFET结构的要求，改善电子设备性能的同时进一步压缩了成本，是实现产业化应用的前提。但是截至目前为止，大面积二维GaTe材料的稳定制备仍然是普遍的难题。

[0003] 文献1“Novoselov K S,Geim A K,Morozov S V,et al.Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films.Science,2004；306:666-669”报道了采用微机械剥离法剥离膨胀石墨制备了二维石墨烯材料，该文献报道的二维石墨烯的尺寸为60μm*20μm。

[0004] 文献2“Jonathan N.Coleman,Mnstafa Lotya,et al.Two-Dimensional Nanosheets Produced by Liquid Exfoliation of Layered Materials.Science,2011；331:568-571”报道了采用有机溶剂剥离法制备了MoS2，WS2，MoSe2等多种二维材料，该文献报道的二维材料的最大尺寸是5μm。

[0005] 文献3“Yi-Hsien Lee,Xin-Quan Zhang,Wen Jing Zhang,Lain-Jong Li,et al.Synthesis of Large-Area MoS2 Atomic Layers with Chemical Vapor Deposition.Advance Materials，2012；24:2320-2325”报道了采用化学气相沉积法制备了二维MoS2材料，该文献报道的二维MoS2材料的尺寸为20μm。

[0006] 以上方法均制备了严格意义上的二维材料，但其尺寸都在100μm以下，尚不能满足大面积二维材料的要求。

发明内容

[0007] 为了克服现有制备方法制备的碲化镓材料面积小的不足，本发明提供一种二维碲化镓材料的制备方法。该方法以现有的微机械剥离法为基础，在转移过程中，引进温度和压力等参数，提高了二维GaTe材料的尺寸。在原有微机械剥离法剥离-转移步骤的基础上，设5
计了剥离-转移-再剥离三步微机械剥离法。转移时，在10pa的外加压力和90-110℃条件下进行退火处理。最后使用思高胶带进行再剥离操作，实现GaTe薄片的进一步减薄，可以增加所制备碲化镓材料面积。

[0008] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种二维碲化镓材料的制备方法，其特点是采用以下步骤：

[0009] 步骤一、采用垂直布里奇曼晶体生长法，将Ga:Te按物质的量比1:1进行配料，制备GaTe单晶体。

[0010] 步骤二、在Ar气氛下的米开罗那Universal 2440-750手套箱内，选取大块表面光滑无褶皱的GaTe体材料，并沿自然解理面将其分离为多块。

[0011] 步骤三、在Ar气氛下的米开罗那Universal 2440-750手套箱内，使用思高胶带从表层光亮、损伤较小的GaTe块体材料表面撕离一块厚度约为6-8μm的GaTe薄片。

[0012] 步骤四、在Ar气氛下的米开罗那Universal 2440-750手套箱内，将带有GaTe薄片的思高胶带多次粘合分离，直至胶带表面不再光亮，成功附着较为密集的数百纳米厚度的GaTe片层。为了保护GaTe体材料平整的表面，剥离时应使GaTe表面与胶带表面充分接触。在胶带分离过程中，要单方向缓慢进行。

[0013] 步骤五、选择胶带表面层状GaTe分布较为密集且残胶较少的区域进行转移，即将胶带上的GaTe薄片转移到厚度为300nm的SiO2衬底表面。同时使用重物施加105Pa的压力并在90℃-110℃下退火处理22-24h。

[0014] 步骤六、GaTe片层的减薄，即再剥离。利用3M思高胶带反复粘连，将附着在二氧化硅表面的GaTe进一步剥离，再使用蘸有丙酮的棉球擦除衬底表面的残胶。

[0015] 本发明的有益效果是：该方法以现有的微机械剥离法为基础，在转移过程中，引进温度和压力等参数，提高了二维GaTe材料的尺寸。在原有微机械剥离法剥离-转移步骤的基础上，设计了剥离-转移-再剥离三步微机械剥离法。转移时，在105pa的外加压力和90-110℃条件下进行退火处理。最后使用思高胶带进行再剥离操作，实现GaTe薄片的进一步减薄。由于在转移阶段引入了外加压力下的退火工艺过程以及后续的再剥离减薄过程，稳定得到了大面积的二维GaTe材料。二维GaTe材料尺寸由背景技术的5-60μm提高到200-600μm。

[0016] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

附图说明

[0017] 图1是本发明方法实施例2所制备的二维GaTe材料的光学显微形貌图片。

[0018] 图2是本发明方法实施例2所制备的二维GaTe材料成分分析的EDS图谱。

[0019] 图3是本发明方法实施例2所制备的二维GaTe材料的原子力显微镜观察图片。

具体实施方式

[0020] 以下实施例参照图1-3。

[0021] 实施例1：

[0022] 步骤一，采用垂直布里奇曼晶体生长法，将Ga:Te按物质的量比1:1进行配料，制备的GaTe单晶体。

[0023] 步骤二，在Ar气氛下的米开罗那Universal 2440-750手套箱内，选取大块表面光滑无褶皱的GaTe体材料，并沿自然解理面将其分离为2块。

[0024] 步骤三，在Ar气氛下的米开罗那Universal 2440-750手套箱内，使用思高胶带从表层光亮、损伤较小的GaTe块体材料表面撕离一块厚度约为6μm的GaTe薄片。

[0025] 第四步，在Ar气氛下的米开罗那Universal 2440-750手套箱内，将带有GaTe薄片的思高胶带粘合分离15次，直至胶带表面不再光亮，成功附着较为密集的200nm厚度的GaTe片层。为了保护GaTe体材料平整的表面，剥离时应使GaTe表面与胶带表面充分接触。在胶带分离过程中，要单方向缓慢进行。

[0026] 第五步，选择胶带表面层状GaTe分布较为密集且残胶较少的区域进行转移，即将胶带上的GaTe薄片转移到厚度为300nm的SiO2衬底表面。同时使用重物施加105Pa的压力并在90℃下退火处理24h。

[0027] 第六步，GaTe片层的减薄，即再剥离。利用3M思高胶带反复粘连，将附着在二氧化硅表面的GaTe进一步剥离，再使用蘸有丙酮的棉球擦除衬底表面的残胶。

[0028] 本实施例制备的二维GaTe材料的尺寸为300μm。

[0029] 实施例2：

[0030] 步骤一，采用垂直布里奇曼晶体生长法，将Ga:Te按物质的量比1:1进行配料，制备的GaTe单晶体。

[0031] 步骤二，在Ar气氛下的米开罗那Universal 2440-750手套箱内，选取大块表面光滑无褶皱的GaTe体材料，并沿自然解理面将其分离为3块。

[0032] 步骤三，在Ar气氛下的米开罗那Universal 2440-750手套箱内，使用思高胶带从表层光亮、损伤较小的GaTe块体材料表面撕离一块厚度约为8μm的GaTe薄片。

[0033] 第四步，在Ar气氛下的米开罗那Universal 2440-750手套箱内，将带有GaTe薄片的思高胶带粘合分离15次，直至胶带表面不再光亮，成功附着较为密集的210nm厚度的GaTe片层。为了保护GaTe体材料平整的表面，剥离时应使GaTe表面与胶带表面充分接触。在胶带分离过程中，要单方向缓慢进行。

[0034] 第五步，选择胶带表面层状GaTe分布较为密集且残胶较少的区域进行转移，即将胶带上的GaTe薄片转移到厚度为300nm的SiO2衬底表面。同时使用重物施加105Pa的压力并在100℃下退火处理23h。

[0035] 第六步，GaTe片层的减薄，即再剥离。利用3M思高胶带反复粘连，将附着在二氧化硅表面的GaTe进一步剥离，再使用蘸有丙酮的棉球擦除衬底表面的残胶。

[0036] 图1为实施例2所制备的二维GaTe材料的光学显微形貌图片。由图可以看到，所制备的二维GaTe材料的尺寸为600μm。

[0037] 图2为实施例2所制备的二维GaTe材料成分分析的EDS图谱。表1为实施例2所制备的二维GaTe材料成分分析的EDS数据。由图2和表1可以看到，所制备的二维GaTe材料的Ga和Te原子含量分别为49.41％和50.59％，接近1:1，完整地保存了GaTe体材料的成分。

[0038] 图3为实施例2所制备的二维GaTe材料的原子力显微镜观察图片。由图可以看到，所制备的二维GaTe材料的厚度为2.5nm。

[0039] 表1 二维GaTe材料成分分析的EDS数据

[0040]元素 质量％ 原子％
Ga 34.80 49.41
Te 65.20 50.59
共计 100 100

[0041] 实施例3：

[0042] 步骤一，采用垂直布里奇曼晶体生长法，将Ga:Te按物质的量比1:1进行配料，制备的GaTe单晶体。

[0043] 步骤二，在Ar气氛下的米开罗那Universal 2440-750手套箱内，选取大块表面光滑无褶皱的GaTe体材料，并沿自然解理面将其分离为4块。

[0044] 步骤三，在Ar气氛下的米开罗那Universal 2440-750手套箱内，使用思高胶带从表层光亮、损伤较小的GaTe块体材料表面撕离一块厚度约为7μm的GaTe薄片。

[0045] 第四步，在Ar气氛下的米开罗那Universal 2440-750手套箱内，将带有GaTe薄片的思高胶带粘合分离15次，直至胶带表面不再光亮，成功附着较为密集的210nm厚度的GaTe片层。为了保护GaTe体材料平整的表面，剥离时应使GaTe表面与胶带表面充分接触。在胶带分离过程中，要单方向缓慢进行。

[0046] 第五步，选择胶带表面层状GaTe分布较为密集且残胶较少的区域进行转移，即将胶带上的GaTe薄片转移到厚度为300nm的SiO2衬底表面。同时使用重物施加105Pa的压力并在110℃下退火处理22h。

[0047] 第六步，GaTe片层的减薄，即再剥离。利用3M思高胶带反复粘连，将附着在二氧化硅表面的GaTe进一步剥离，再使用蘸有丙酮的棉球擦除衬底表面的残胶。

[0048] 本实施例制备的二维GaTe材料的尺寸为400μm。