[发明专利]具有高光电响应率的黑磷晶体、其制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种具有高光电响应率的黑磷晶体、其制备方法及应用。所述具有高光电响应率的黑磷晶体为单晶，空间点群Cmca(no.64)，晶胞参数为层间距其制备方法包括：将包含红磷、矿化剂和掺杂元素的生长前驱物置于内腔为真空环境的密封反应容器内，并对所述反应容器依次进行加热、保温、降温，从而生长形成所述黑磷晶体。本发明提供的黑磷晶体的载流子类型及载流子浓度可调，在无需后续修饰的情况下，即表现出极高的光电响应率，同时其制备方法简单，成本低、污染小、产率高、产物结晶性好、掺杂均匀，在光电子器件领域有广泛应用前景。

技术领域

本发明涉及一种光电材料，特别是涉及一种掺杂具有高光电响应率、半导体类型可调的黑磷晶体及其制备方法与应用，例如在制备光电探测器中的应用。

背景技术

黑磷是一种新型二维原子晶体材料，具有高载流子迁移率(～1000cm²/Vs)和开关比(>10⁵)，以及可调谐直接带隙(0.3—2eV)等优异性能，弥补了石墨烯的零带隙、过渡金属硫族化物(TMDs)载流子迁移率过低的性能缺陷，是继石墨烯之后又一让半导体技术和产业界感到振奋的二维材料，尤其在新型光电子器件，如：高性能光探测器、光波导、锁模激光、调制器、偏振器等的开发应用方面显示了巨大的潜力。

目前，黑磷及其制备技术的研发多集中在本征黑磷上(例如CN104310326A，CN105133009A)。然而，本征黑磷与金属电极接触会有较高的肖特基势垒，抑制了光生载流子的传输，使得光电响应率偏低，不利于光电子器件的性能。

此外，相应于硅、砷化镓等传统半导体材料，本征、p型、n型等多样的半导体类型及可调谐的空穴、电子浓度是材料于光电子器件等半导体元器件应用开发的必要条件。而当前的黑磷多表现为p型导电、n型缺乏，且载流子浓度不可调控。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种具有高光电响应率、半导体类型可调的具有高光电响应率的黑磷晶体及其制备方法与应用，以解决上述问题。

为实现上述发明目的，本发明提供了如下技术方案：

本发明实施例提供了一种具有高光电响应率的黑磷晶体，其为单晶，空间点群Cmca(no.64)，晶胞参数为层间距

进一步的，所述黑磷晶体的XRD特征谱包括5个2θ峰：17.1°，26.6°，34.4°，40.2°，52.5°。

进一步的，所述黑磷晶体为半导体，半导体类型为p型或n型，带隙为0.1～2.5eV，开关比为10³～10⁶，载流子迁移率为10～3000cm²/Vs，优选为100～3000cm²/Vs。

进一步的，所述黑磷晶体内的掺杂元素包含磷、硼、碳、钠、镁、硫、钾、砷元素中的任意一种或两种以上的组合。

进一步的，所述黑磷晶体的光响应率大于1A/W。

本发明实施例还提供了一种具有高光电响应率的黑磷晶体的制备方法，其包括：

提供生长前驱物，所述生长前驱物包含质量比为(100～600)：(10～100)：(0.1～10)的红磷、矿化剂和掺杂元素；

将所述生长前驱物置于内腔为真空环境的密封反应容器内，并对所述反应容器依次进行加热、保温、降温，从而生长形成具有高光电响应率的黑磷晶体。

进一步的，所述掺杂元素包括硒、硫、碳、硼、砷、钠、镁、钾元素中的任意一种或两种以上的组合。

本发明实施例提供了一种光电探测器，其包含所述的具有高光电响应率的黑磷晶体，其光响应率大于1A/W。

进一步的，所述的光电探测器包含从所述黑磷晶体上剥离出的薄膜，所述薄膜的厚度为1～20nm。