一种二维NdOCl单晶材料的制备方法、产品及应用

摘要

本发明属于半导体材料与器件领域，并具体公开了一种二维NdOCl单晶材料的制备方法、产品及应用。所述方法包括：将NdOCl粉末和助熔剂按预设比例混合得到前驱体；将所述前驱体在温度为700～1000℃、惰性气体氛围的条件下保温，然后自然冷却至室温，得到二维NdOCl单晶材料。所述产品采用上述方法制得，且该产品应用于X射线探测器中。本发明所制备的二维NdOCl单晶材料具有稳定性高、无毒无害、制备简单的特点，同时，基于本发明NdOCl单晶材料的X射线吸收系数大和耐击穿电压高，因而其尤其适用于X射线探测的应用场合，且所得的X射线探测器具有环境稳定高、无毒无害、分辨率高、灵敏度高的优势。

权利要求

1.一种二维NdOCl单晶材料的制备方法，其特征在于，所述二维NdOCl单晶材料的制备方法的步骤为：

将NdCl3·6H2O研磨成粉末，在温度为500～900℃的条件下保温12～24h，从而煅烧得到NdOCl粉末，将质量比为1：1～5：1的NdOCl粉末和助熔剂混合得到前驱体；将所述前驱体在惰性气体氛围中加热至预设温度，并在预设温度下保温，然后自然冷却，得到二维NdOCl单晶材料，其中，所述预设温度为700～1000℃，所述保温的时间为10～30min；所述助熔剂为氯化钠，用于降低NdOCl粉末的熔点，所述惰性气体的流量为50～200 sccm。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述惰性气体为氩气。

3.根据权利要求1或2所述的一种二维NdOCl单晶材料的制备方法制备的二维NdOCl单晶材料在X射线探测器中的应用。

4.一种X射线探测器的制备方法，其特征在于，所述X射线探测器中包含权利要求1或2所述的二维NdOCl单晶材料的制备方法制备的二维NdOCl单晶材料，将二维NdOCl单晶材料通过生长或转移置于衬底上表面，所述二维NdOCl单晶材料为厚度为5～100nm的矩形结构，且该矩形结构的边长为5～30μm；然后，在所述二维NdOCl单晶材料表面刻画两个彼此分离的电极图案；最后，根据刻画的电极图案，在所述二维NdOCl单晶材料表面制备两个彼此分离的电极，在制备两个彼此分离的电极之前，需先蒸镀一层粘附层，该粘附层为厚度为5～

10nm的铬金属。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述衬底为带氧化层的掺杂硅片、云母片、蓝宝石中的任意一种；所述电极为氧化铟锡电极、银电极、金电极、铜电极、铝电极中的任意一种或几种；所述电极的厚度为50～100nm。

说明书

一种二维NdOCl单晶材料的制备方法、产品及应用

技术领域

[0001] 本发明属于半导体材料与器件领域，更具体地，涉及一种二维NdOCl单晶材料的制备方法、产品及应用。

背景技术

[0002] X射线已经成功应用于医学成像、公共安全检测、抢险探生等诸多与我们生活密切相关的领域。不仅如此，X射线在核能安全、放射性物质防护和国防等方面也发挥着至关重
要的作用。X射线探测器是X射线探测系统的核心部件，其有两种工作模式，一种是间接模
式，通过闪烁体将X射线转换成可见光再经过光电探测器转换成电信号，另一种是直接模
式，直接通过半导体将X射线转换成电信号。后者相对于前者具有系统简单、空间分辨率高、
便于集成的优势。

[0003] 目前商用的直接式平板探测器仅有非晶硒探测器，这种探测器具有成像质量优异、空间分辨率高、系统结构简单等优势。然而，该探测器寿命较短、对环境要求苛刻、灵敏
度低、稳定性差阻碍了其广泛的应用。要实现直接式探测器的大规模应用，需要开发新的光
电导材料。目前研究报道的材料主要有MAPbI3(Nature,2017,550,87‑91)、MAPbBr3(Nature 
Photonics,2017,11,315‑321)、CsPbBr3(Advanced Materials,2019,31,1904405)、PbI2
(IEEE Electron Device Lett.,2019,40,578)、Cs2AgBiBr6(Nature Photonics,2017,11,
726‑732)，这些材料的灵敏度都要高于目前商用的非晶硒，但是环境不友好和稳定性差的
问题并没有解决。因此，如何开发一种新材料兼具高灵敏度、高稳定性和无毒无害成为了必
须解决的问题。

发明内容

[0004] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种二维NdOCl单晶材料的制备方法、产品及应用，其通过将NdOCl粉末和助熔剂按预设比例混合得到前驱体，并对所
述前驱体的加热温度、时间和氛围进行精确控制，使得所制备的二维NdOCl单晶材料具有稳
定性高、无毒无害、制备简单的特点，同时，基于本发明NdOCl单晶材料的X射线吸收系数大
和耐击穿电压高，因而其尤其适用于X射线探测的应用场合，且所得的X射线探测器具有环
境稳定高、无毒无害、分辨率高、灵敏度高的优势。

[0005] 为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种二维NdOCl单晶材料的制备方法，包括以下步骤：将质量比为1：1～5：1的NdOCl粉末和助熔剂混合得到前驱体；将所述
前驱体在温度为700～1000℃、惰性气体氛围的条件下保温10～30min，然后自然冷却至室
温，得到二维NdOCl单晶材料。

[0006] 具体而言，首先，将NdCl3·6H2O研磨成粉末，置于马弗炉中加热升温至500℃～900℃，并在该温度范围内保温12～24h，以此方式，煅烧得到NdOCl粉末；然后将得到的NdOCl粉
末与助熔剂按预设比例混合作为前驱体放置于瓷舟中，将载有前驱体的瓷舟置于水平管式
炉的中心温区，将衬底置于中心温区或者下游温区，所述助熔剂为氯化盐，所述衬底为带氧
化层的掺杂硅片、云母片、蓝宝石中的任意一种；接着在管式炉中通入氩气，并保持通入氩
气的气流量为50～200sccm，将前驱体加热至700～1000℃，保温10～30min，自然冷却至室
温得到二维NdOCl单晶材料，所述二维NdOCl单晶材料，形状为矩形，厚度为5～100nm，矩形
的边长为5～30μm。

[0007] 作为进一步优选的，所述助熔剂为氯化盐，用于降低NdOCl粉末的熔点。

[0008] 作为进一步优选的，所述惰性气体的流量为50～200sccm，所述惰性气体为氩气。

[0009] 作为进一步优选的，将NdCl3·6H2O研磨成粉末，在温度为500～900℃的条件下保温12～24h，从而煅烧得到NdOCl粉末。

[0010] 作为进一步优选的，所述二维NdOCl单晶材料为厚度为5～100nm的矩形结构，且该矩形结构的边长为5～30μm。

[0011] 按照本发明的另一个方面，还提供了一种上述制备方法制备得到的二维NdOCl单晶材料。

[0012] 按照本发明的另一个方面，还提供了一种二维NdOCl单晶材料在X射线探测器中的应用。

[0013] 按照本发明的另一个方面，还提供了一种X射线探测器，包括衬底、布置于所述衬底上的所述的二维NdOCl单晶材料以及沉积于所述二维NdOCl单晶材料上的两个彼此分离
的电极。

[0014] 作为进一步优选的，所述衬底为带氧化层的掺杂硅片、云母片、蓝宝石中的任意一种；所述电极为氧化铟锡电极、银电极、金电极、铜电极、铝电极中的任意一种或几种；优选
的，所述电极的厚度为50～100nm。

[0015] 按照本发明的另一个方面，还提供了一种X射线探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：首先，将二维NdOCl单晶材料通过生长或转移置于衬底上表面；然后，在所述
二维NdOCl单晶材料表面刻画电极图案；最后，根据刻画的电极图案，在所述二维NdOCl单晶
材料表面制备两个彼此分离的电极；

[0016] 优选的，在制备两个彼此分离的电极之前，需先蒸镀一层粘附层，该粘附层为厚度为5～10nm的铬金属。

[0017] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

[0018] 1.本发明通过对的制备NdOCl单晶材料条件参数进行特性性设计，特别是NdOCl粉末和助熔剂的质量配比，使得本发明方法实施简单、成功率高、样品质量高，而且与现有的
PVD工艺兼容，适用于大尺寸样品的生长和大规模应用。

[0019] 2.本发明所制备的NdOCl单晶材料作为X射线探测器的光电导材料，具有环境稳定高、无毒无害的优势，解决了目前商用的非晶硒探测器寿命短、稳定性差的问题。

[0020] 3.本发明NdOCl单晶材料本身的X射线吸收能力比较强，可以提高灵敏度。同时，二维形状的材料有利于将器件尺寸减小，提高分辨率；同时，器件尺寸的减小有利于提高工作
电场，而材料本身可以耐受很高的电场，所以可以进一步提高分辨率。

[0021] 4.本发明利用二维NdOCl单晶材料制备的X射线探测器在10V偏压下其灵敏度可以8 ‑1 ‑2
达到1.2×10μC Gyair cm ，比目前商用非晶硒探测器的灵敏度增加了6个数量级。

[0022] 5.本发明所制备的NdOCl单晶材料的耐击穿电压高，其制备的探测器可在6×107V ‑1
m 的电场下工作，高的电场有利于提高探测器的分辨率。

[0023] 6.本发明利用二维微纳器件作为X射线探测器具有效率高、能耗低、易集成、工艺兼容等优势。

附图说明

[0024] 图1是本发明实施例1制备的NdOCl晶体的结构示意图；

[0025] 图2是本发明实施例1制备的二维NdOCl材料的光学显微镜俯视图；

[0026] 图3是本发明实施例1制备的二维NdOCl材料的X射线衍射图；

[0027] 图4和图5均为本发明实施例1制备的二维NdOCl材料的透射电镜表征图；

[0028] 图6是本发明实施例2制备的X射线探测器的结构示意图；

[0029] 图7是本发明实施例2制备的X射线探测器加光前后的电流‑电压曲线；

[0030] 图8是本发明实施例2制备的X射线探测器在周期性X射线照射下的电流‑时间曲线；

[0031] 图9是本发明实施例3制备的X射线探测器的结构示意图；

[0032] 图10是本发明实施例3制备的X射线探测器加光前后的电流‑电压曲线。

具体实施方式

[0033] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并
不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要
彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

[0034] 本发明提供了一种专门用于X射线探测用，并且灵敏度高、稳定性高、无毒无害、制备简单的二维NdOCl单晶材料。同时，本发明一方面提供了一种二维NdOCl单晶材料及其制
备方法，另一方面还提供了一种二维NdOCl单晶材料作为光电导材料的X射线探测器及其制
备方法。

[0035] 在一个方面，本发明提供了一种二维NdOCl单晶材料及其制备方法，具体实施步骤如下：

[0036] 步骤一：将NdCl3·6H2O研磨成粉末，置于马弗炉中加热升温至500～900℃，保温12～24小时，煅烧得到NdOCl粉末；

[0037] 步骤二：将步骤一得到的NdOCl粉末与助熔剂按质量比为1:1至5:1的比例混合作为前驱体放置于瓷舟中，将载有前驱体的瓷舟置于水平管式炉的中心温区，将衬底置于中
心温区或者下游温区，所述助熔剂为氯化盐，所述衬底为带氧化层的掺杂硅片、云母片、蓝
宝石中的任意一种；

[0038] 步骤三：在管式炉中通入氩气，并保持50～200sccm的气流量，将中心温区加热至700～1000℃，保温10～30min，自然冷却得到二维NdOCl单晶。

[0039] 所述二维NdOCl单晶材料，形状为矩形，厚度为5～100nm，矩形的边长为5～30μm。

[0040] 在另一个方面，本发明提供了一种二维NdOCl单晶材料作为光电导材料的X射线探测器，包括以下步骤：

[0041] 步骤一：取衬底，将二维NdOCl单晶材料通过生长或转移置于衬底上表面，所述衬底可以为带氧化层的掺杂硅片、云母片、蓝宝石中任意一种；

[0042] 步骤二：设计电极图案，可用紫外曝光和电子束曝光，电极可以是任意图案；

[0043] 步骤三：制备金属电极，可用电子束沉积和热蒸镀，金属电极的厚度为50～100nm，可用金、银、铝、铂、钛等金属材料作为电极材料，优选金作为电极材料，制备金电极时先蒸
镀5～10nm铬金属作为粘附层。

[0044] X射线照射在上述探测器表面，所述二维NdOCl单晶材料吸收X射线产生电子空穴，所述电极用以连接直流电源，施加偏压，使电子空穴定向移动产生光电流，从而实现X射线
探测功能。

[0045] 实施例1

[0046] 按照本发明提供的制备二维NdOCl单晶材料的方法实施，采用水平管式炉，NdOCl粉末100mg，氯化盐(如NaCl)50mg，衬底为蓝宝石，中心温区750℃，保温时间30min。在反应
前先进行预抽真空，然后充入Ar气至一个大气压，保持500sccm的气流量洗气5min，反应过
程中通入100sccm流量的Ar气并且保持压强为一个大气压。反应结束后载气保持不变，产物
随炉冷却至室温，蓝宝石衬底收集产物，得到二维NdOCl单晶材料，该晶体材料为纳米片状
结构。

[0047] 图1是实施例1制备的二维NdOCl单晶材料的结构示意图，二维NdOCl单晶材料的晶体层之间通过范德华力连接。

[0048] 图2是实施例1制备的二维NdOCl单晶材料的光学显微镜俯视图，二维NdOCl单晶材料均为矩形，形貌规则，表面干净。

[0049] 图3是实施例1制备的二维NdOCl单晶材料的X射线衍射图，出现三个明显的特征峰分别对应二维NdOCl单晶材料的(001)、(002)和(003)晶面。

[0050] 用透射电镜对实施例1制备的二维NdOCl单晶材料进行结构表征，图4是原子级高分辨晶格图像，晶面间距0.203nm和0.288nm对应NdOCl晶体的(020)和(010)晶面。图5是图4
对应区域的电子衍射图案，说明制备的二维NdOCl单晶材料是一个单晶。

[0051] 实施例2

[0052] 按照本发明提供的一种二维材料X射线探测器的制备方法实施，二维NdOCl单晶材料是实施例1制备并转移到衬底上，衬底采用带氧化层的掺杂硅片，采用热蒸镀沉积10nm铬
和90nm金作为电极。X射线垂直照射在二维材料表面，在电极两端施加偏压，测试光电流和
暗电流。

[0053] 图6是实施例2制备的X射线探测器的结构示意图，二维NdOCl单晶材料置于带氧化层的掺杂硅片表面，一对Au/Cr对电极沉积在二维NdOCl单晶材料的上表面。

[0054] 图7是实施例2测试的加X射线前后的电流‑电压曲线图，插图是实际器件的光学显8
微镜图。X射线照射后器件的电流明显上升，在10V的偏压下，计算得到其灵敏度为1.2×10
‑1 ‑2
μC Gyair cm ，这说明二维NdOCl单晶材料是一个非常有应用潜力的X射线探测材料。

[0055] 图8是实施例2测试的周期性X射线照射下的电流‑时间曲线，施加的偏压为10V。曲线表明，所制备的探测器的信噪比为11，而且对于X射线的响应快，重复性好。

[0056] 实施例3

[0057] 按照本发明提供的一种二维材料X射线探测器的制备方法实施，衬底采用带氧化层的掺杂硅片，通过机械剥离将石墨烯转移到衬底上，将实施例1制备的二维NdOCl单晶材
料转移到石墨烯表面，设计电极图案，两个电极分别置于二维NdOCl单晶材料表面和石墨烯
表面。采用热蒸镀沉积10nm铬和90nm金作为电极。X射线垂直照射在二维材料表面，在电极
两端施加偏压，测试光电流和暗电流。

[0058] 图9是实施例3制备的X射线探测器的结构示意图，这是一个在纳米片上下表面构筑电极的器件，石墨烯作为底电极与二维NdOCl单晶材料下表面接触，Au/Cr作为顶电极连
接二维NdOCl单晶材料的上表面。

[0059] 图10是实施例3制备的X射线探测器加光前后的电流‑电压曲线，插图为实际器件7 ‑1 ‑2
的光学显微镜图。在10V的偏压下的灵敏度为9.6×10μC Gyair cm ，实施例3证明上下电极
结构的光电探测器同样具有优异的X射线探测性能。

[0060] 实施例4

[0061] 按照本发明提供的制备二维NdOCl单晶材料的方法实施，采用水平管式炉，NdOCl粉末100mg，氯化盐(如NaCl)100mg，衬底为蓝宝石，中心温区700℃，保温时间30min。在反应
前先进行预抽真空，然后充入Ar气至一个大气压，保持200sccm的气流量洗气5min，反应过
程中通入100sccm流量的Ar气并且保持压强为一个大气压。反应结束后载气保持不变，产物
随炉冷却至室温，蓝宝石衬底收集产物，得到二维NdOCl单晶材料，该晶体材料为纳米片状
结构。

[0062] 实施例5

[0063] 按照本发明提供的制备二维NdOCl单晶材料的方法实施，采用水平管式炉，NdOCl粉末100mg，氯化盐20mg，衬底为蓝宝石，中心温区1000℃，保温时间10min。在反应前先进行
预抽真空，然后充入Ar气至一个大气压，保持50sccm的气流量洗气20min，反应过程中通入
200sccm流量的Ar气并且保持压强为一个大气压。反应结束后载气保持不变，产物随炉冷却
至室温，蓝宝石衬底收集产物，得到二维NdOCl单晶材料，该晶体材料为纳米片状结构。

[0064] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含
在本发明的保护范围之内。