一种二维氮化镓材料及其制备方法

摘要

本发明公开了一种二维氮化镓材料及其制备方法，所述方法包括：以硒化镓粉末为前驱体，采用化学气相沉积法制备二维硒化镓；在氮源中对制备的二维硒化镓进行高温氮化处理，得到二维氮化镓材料。本发明提供的制备方法十分便捷，该方法仅包含模板的制备和高温氮化两个步骤，且这两个步骤均可在管式炉中完成；该方法通过改变气压、生长时间等参数调控二维硒化镓模板的尺寸和厚度，进而实现了二维氮化镓材料的可控制备。

权利要求

1.一种二维氮化镓材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括：以硒化镓粉末作为前驱体，采用化学气相沉积法制备二维硒化镓；

以二维硒化镓作为模板，置于含氮源的管式炉中进行高温氮化处理，制备得到二维氮化镓材料；

其中，所述以硒化镓粉末作为前驱体，采用化学气相沉积法制备二维硒化镓，包括：对衬底进行预处理，其中，所述衬底为SiO2/Si衬底、Si衬底、蓝宝石衬底中的一种，Si衬底以(111)为外延方向；

将预处理后的衬底转移至管式炉的下游温区，并在上游温区放置硒化镓粉末，抽真空，并充Ar至大气压，持续通入设定流量的Ar，维持气压并开始加热升温；

下游温区和上游温区的温度均升高至第一设定温度后停止加热后，抽真空至设定气压并保温一段时间，关闭真空泵并通入Ar使炉内气压迅速升高；

待管式炉自然冷却至室温后，将沉积有硒化镓的衬底取出并进行清洗处理，获得沉积有二维硒化镓的衬底；

所述以二维硒化镓作为模板，置于含氮源的管式炉中进行高温氮化处理，制备得到二维氮化镓材料，包括：将沉积有二维硒化镓的衬底转移至另一未被污染的管式炉中，抽真空并通入Ar以排尽空气；

充Ar至大气压，停止通气后开始加热升温；

加热升温至第二设定温度后，通入相同流量的Ar/NH3混合气体，开启真空泵维持管内气压并保温；

停止加热后停止通入NH3并通入Ar，等待管式炉自然降温后获得二维氮化镓材料。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，持续通入Ar的流量为30‑50sccm。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，下游温区的第一设定温度为690‑750℃，上游温区的第一设定温度为800‑900℃。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，设定气压为20‑40torr。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，保温时间为5‑20min。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第二设定温度为550‑650℃。

7.根据权利要求1‑6中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述氮源为氨气或氮气等离子体。

8.一种二维氮化镓材料，基于权利要求1‑7中任一项所述的制备方法制备，其特征在于，所述二维氮化镓材料以二维硒化镓为模板。

说明书

一种二维氮化镓材料及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及半导体材料制备技术领域，特别涉及一种二维氮化镓材料及其制备方法。

背景技术

[0002] 以III族氮化物为代表的第三代半导体从21世纪初开始崭露头角，相关探索已经持续了多年，但要实现诸如隧道结、单光子发射器和偏振驱动拓扑绝缘体等应用，必须探索二维III族氮化物的生长。另一方面，当III族氮化物半导体被减薄到只有几个原子层时，由于量子限域效应，它们的带隙会进一步增大，可以实现深紫外光电器件所需的超宽禁带半导体。此外，理论研究还预测了二维III族氮化物具有反常温度依赖性的热导率和轨道驱动的超低热导率，这使得它们在能量转换方面展现出广阔的应用前景。二维III族氮化物在理论和实验上展现出的优异物理特性使其成为了研究热点。然而，制备二维材料的两种传统方法，机械剥离法和化学气相沉积法都无法实现二维III族氮化物的制备。

发明内容

[0003] 为了解决上述现有技术的不足，本发明提供了一种二维氮化镓材料及其制备方法，该方法仅包含模板的制备和高温氮化两个步骤，且这两个步骤均可在管式炉中完成，即该方法能够便捷地制备二维氮化镓材料；同时该方法通过改变气压、生长时间等参数调控二维硒化镓模板的尺寸和厚度，进而实现了二维氮化镓材料的可控制备。

[0004] 本发明的第一个目的在于提供一种二维氮化镓材料的制备方法。

[0005] 本发明的第二个目的在于提供一种二维氮化镓材料。

[0006] 一种二维氮化镓材料的制备方法，所述方法包括：

[0007] 以硒化镓粉末作为前驱体，采用化学气相沉积法制备二维硒化镓；

[0008] 以二维硒化镓作为模板，置于含氮源的管式炉中进行高温氮化处理，制备得到二维氮化镓材料。

[0009] 进一步的，所述以硒化镓粉末作为前驱体，采用化学气相沉积法制备二维硒化镓，包括：

[0010] 对衬底进行预处理，其中，所述衬底为SiO2/Si衬底、Si(111)衬底、蓝宝石衬底中的一种；

[0011] 将预处理后的衬底转移至管式炉的下游温区，并在上游温区放置硒化镓粉末，抽真空，并充Ar至大气压，持续通入设定流量的Ar，维持气压并开始加热升温；

[0012] 下游温区和上游温区的温度均升高至第一设定温度后停止加热后，抽真空至设定气压并保温一段时间，关闭真空泵并通入Ar使炉内气压迅速升高；

[0013] 待管式炉自然冷却至室温后，将沉积有硒化镓的衬底取出并进行清洗处理，获得沉积有二维硒化镓的衬底。

[0014] 进一步的，持续通入Ar的流量为30‑50sccm。

[0015] 进一步的，下游温区的第一设定温度为690‑750℃，上游温区的第一设定温度为800‑900℃。

[0016] 进一步的，设定气压为20‑40torr。

[0017] 进一步的，保温时间为5‑20min。

[0018] 进一步的，所述以二维硒化镓作为模板，置于含氮源的管式炉中进行高温氮化处理，制备得到二维氮化镓材料，包括：

[0019] 将沉积有二维硒化镓的衬底转移至另一未被污染的管式炉中，抽真空并通入Ar以排尽空气；

[0020] 充Ar至大气压，停止通气后开始加热升温；

[0021] 加热升温至第二设定温度后，通入相同流量的Ar/NH3混合气体，开启真空泵维持管内气压并保温；

[0022] 停止加热后停止通入NH3并通入Ar，等待管式炉自然降温后获得二维氮化镓材料。

[0023] 进一步的，所述第二设定温度为550‑650℃。

[0024] 进一步的，所述氮源为氨气或氮气等离子体。

[0025] 本发明的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到：

[0026] 一种二维氮化镓材料，基于上述的制备方法制备，所述二维氮化镓材料以二维硒化镓为模板。

[0027] 本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

[0028] 1、本发明提供的二维氮化镓材料是一种超宽禁带的二维材料，相比于常见的石墨烯、二维过渡金属硫化物等，有望实现高耐压电子器件以及深紫外光电器件。

[0029] 2、本发明采用模板氮化的方法制备二维氮化镓材料，与石墨烯封装增强迁移的金属有机物化学气相沉积法相比工艺十分便捷：仅包含模板的制备和高温氮化两个步骤，且两个步骤均可在管式炉中完成。

[0030] 3、本发明选择化学气相沉积的二维硒化镓作为制备二维氮化镓材料的模板，一方面，硒化镓作为层状材料，在沉积过程中易形成具有平整表面的二维材料；另一方面，采用化学气相沉积法能够通过气压、生长时间等参数对产物的尺寸和厚度进行调控。采用模板法制备的二维氮化镓材料，其形貌是由模板的形貌所决定的，采用这种方法能够制备尺寸和厚度可控的二维氮化镓材料。

附图说明

[0031] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

[0032] 图1为本发明实施例1的二维氮化镓材料扫描电子显微镜图像。

[0033] 图2为本发明实施例1的二维氮化镓材料原子力显微镜图像。

[0034] 图3为本发明实施例1的二维氮化镓材料XPS表征N1s谱图。

[0035] 图4为本发明实施例1的二维氮化镓材料XPS表征Ga2p谱图。

具体实施方式

[0036] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。应当理解，描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

[0037] 实施例1：

[0038] 本实施例提供了一种二维氮化镓材料的制备方法，具体包括：

[0039] (1)衬底预处理：采用SiO2/Si衬底作为材料生长的衬底，依次放入丙酮和无水乙醇中，分别超声清洗5min，取出衬底后用高纯氮气吹干；

[0040] (2)将预处理后的衬底转移至管式炉的下游温区，称量0.05g的GaSe粉末装在石英舟中并置于上游温区，上游温区和下游温区的温度分别设置为850℃和720℃；

[0041] (3)抽真空至气压小于5.0×10‑3torr，接着通入600sccmAr并持续抽真空5min以排尽空气。停止抽真空后接着以600sccm的流量充Ar至大气压，然后将Ar流量调整为40sccm，维持气压并开始加热升温；

[0042] (4)温度升至设定值之后停止加热，抽真空至30torr并保温10min，关闭真空泵并通入600sccmAr使炉内气压迅速升高；

[0043] (5)待管式炉自然冷却至室温后将沉积有硒化镓的衬底取出，放入无水乙醇中超声清洗5min，取出后用高纯氮气吹干；

[0044] (6)将步骤(5)获得的衬底转移至另一未被污染的管式炉中，抽真空至气压小于‑35.0×10 torr，接着通入600sccmAr并持续抽真空5min以排尽空气。停止抽真空后接着以
600sccm的流量充Ar至大气压，然后停止通气并加热升温至600℃；

[0045] (7)温度升至设定值(600℃)之后停止加热，通入50sccm/50sccm的Ar/NH3混合气体，开启真空泵维持管内气压并保温30min。停止通入NH3并通入100sccmAr，等待管式炉自然降温。

[0046] 如图1所示，本实施例制备的二维氮化镓材料的横向最大尺寸约在50μm左右。

[0047] 如图2所示，本实施例制备的二维氮化镓材料的厚度为9.8nm。

[0048] 如图3所示，本实施例制备的二维氮化镓材料的XPS N 1s峰位于397.67eV，证实了氮化反应后二维氮化镓材料的形成。

[0049] 如图4所示，本实施例制备的二维氮化镓材料的XPS Ga 2p1/2和Ga 2p3/2双峰分别位于1118.03eV和1144.95eV。

[0050] 实施例2：

[0051] 本实施例提供了一种二维氮化镓材料的制备方法，具体包括：

[0052] (1)衬底预处理：采用蓝宝石衬底作为材料生长的衬底，依次放入丙酮和无水乙醇中，分别超声清洗5min，取出衬底后用高纯氮气吹干；

[0053] (2)将预处理后的衬底转移至管式炉的下游温区，称量0.05g的GaSe粉末装在石英舟中并置于上游温区，上游温区和下游温区的温度分别设置为900℃和750℃；

[0054] (3)抽真空至气压小于5.0×10‑3torr，接着通入600sccmAr并持续抽真空5min以排尽空气。停止抽真空后接着以600sccm的流量充Ar至大气压，然后将Ar流量调整为50sccm，维持气压并开始升温；

[0055] (4)温度升至设定值之后，抽真空至40torr并保温20min，停止加热后关闭真空泵并通入600sccmAr使炉内气压迅速升高；

[0056] (5)待管式炉自然冷却至室温后将沉积有硒化镓的衬底取出，放入无水乙醇中超声清洗5min，取出后用高纯氮气吹干；

[0057] (6)将步骤(5)获得的衬底转移至另一未被污染的管式炉中，抽真空至气压小于‑35.0×10 torr，接着通入600sccmAr并持续抽真空5min以排尽空气。停止抽真空后接着以
600sccm的流量充Ar至大气压，然后停止通气并升温至650℃；

[0058] (7)温度升至设定值之后，通入80sccm/80sccm的Ar/NH3混合气体，开启真空泵维持管内气压并保温40min。停止加热后停止通入NH3并通入100sccmAr，等待管式炉自然降温。

[0059] 本实施例制备的二维氮化镓材料测试结果与实施例1类似，在此不再赘述。

[0060] 实施例3：

[0061] 本实施例提供了一种二维氮化镓材料的制备方法，具体包括：

[0062] (1)衬底预处理：采用蓝宝石衬底作为材料生长的衬底，依次放入丙酮和无水乙醇中，分别超声清洗5min，取出衬底后用高纯氮气吹干；

[0063] (2)将预处理后的衬底转移至管式炉的下游温区，称量0.05g的GaSe粉末装在石英舟中并置于上游温区，上游温区和下游温区的温度分别设置为800℃和690℃；

[0064] (3)抽真空至气压小于5.0×10‑3torr，接着通入600sccmAr并持续抽真空5min以排尽空气。停止抽真空后接着以600sccm的流量充Ar至大气压，然后将Ar流量调整为50sccm，维持气压并开始升温；

[0065] (4)温度升至设定值之后，抽真空至20torr并保温5min，停止加热后关闭真空泵并通入600sccmAr使炉内气压迅速升高；

[0066] (5)待管式炉自然冷却至室温后将沉积有硒化镓的衬底取出，放入无水乙醇中超声清洗5min，取出后用高纯氮气吹干；

[0067] (6)将步骤(5)获得的衬底转移至另一未被污染的管式炉中，抽真空至气压小于‑35.0×10 torr，接着通入600sccmAr并持续抽真空5min以排尽空气。停止抽真空后接着以
600sccm的流量充Ar至大气压，然后停止通气并升温至550℃；

[0068] (7)温度升至设定值之后，通入80sccm/80sccm的Ar/N2等离子体混合气体，开启真空泵维持管内气压并保温20min。停止加热后停止通入NH3并通入100sccmAr，等待管式炉自然降温。

[0069] 本实施例制备的二维氮化镓材料测试结果与实施例1类似，在此不再赘述。

[0070] 以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。