[发明专利]一种气相输运法制备黑砷磷单晶的方法

说明书

一种气相输运法制备黑砷磷单晶的方法，所述气相输运法制备黑砷磷单晶的方法包括：将红磷、单质灰砷和传输剂混合置于密封腔的一端；对所述密封腔抽真空至10Pa以下；对所述密封腔加热、保温，然后梯度降温即在所述密封腔内得到产物。通过系统研究黑砷磷单晶的气相输运法生长过程，揭示其生长机理，实现了高质量黑砷磷单晶样品的快速、高效率、高产量、可控制备。

技术领域

本发明涉及新材料合成方法，尤其涉及一种气相输运法制备黑砷磷单晶这一长波长红外半导体的方法。

背景技术

现代微电子技术的飞速发展，对半导体材料的电学性质提出了更高的要求。半导体材料的带隙宽度、带隙类型以及载流子有效质量等性质将直接影响其在电子器件和光电子器件等领域的应用价值。对于半导体材料光电性能的可调性往往采用合金化或掺杂法。最新近合成的新型二维材料黑砷磷，其晶体结构与黑磷一样，属于正交晶系，只是在黑磷材料中部分磷原子被砷原子随机取代。当砷、磷原子的比例变化到83：17时，其块体的带隙从0.3eV减小到0.15eV，这个带隙恰好在长波长红外波段(long-wavelength infrared)。因而，黑砷磷材料在长波长红外光电探测方向，包括激光雷达、红外识别、环境检测、污染物指纹分析等方面具有很大的应用前景。要实现高性能黑砷磷光电器件的开发与应用，离不开高质量的黑砷磷单晶的可控制备。早期制备方法，存在着高成本、低产率、低产量、原料不环保、制备过程耗时等诸多显著缺点。

发明内容

本发明的目的是提供一种气相输运法制备黑砷磷单晶的方法。

为达上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种气相输运法制备黑砷磷单晶的方法，所述气相输运法制备黑砷磷单晶的方法包括：将红磷、单质灰砷和传输剂混合置于密封腔的一端；对所述密封腔抽真空至10Pa以下；对所述密封腔加热、保温，然后梯度降温即在所述密封腔得到产物。

所述黑砷磷的分子式为b-As_xP_1-x，其中0<x<1，如x可以等于0.01，0.05，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9，0.95等。

优选地，所述0<x<0.40，所述红磷和单质灰砷的摩尔比为100:1～3:2。

优选地，所述0.40<x<0.83，所述红磷和单质灰砷的摩尔比为3:2～17：83。

优选地，所述0.83<x<1.00，所述红磷和单质灰砷的摩尔比为17：83～1：100。

优选地，所述传输剂为SnI₄、NH₄I、BiI₃、I₂、PbI₂、Sn、NaI、KI或LiI中的至少一种。

优选地，所述传输剂包括Sn和SnI₄，二者的摩尔比为4：1～1：4。

优选地，所述密封腔的材质为石英、不锈钢、刚玉等高温稳定材质。

优选地，所述对密封腔加热、保温包括将所述密封腔加热至500～800℃，保温时间为5～120小时。更优选地，所述0<x<0.40，保温时间为5～8小时；或所述0.40<x<0.83，保温时间为6～15小时；或所述0.83<x<1.00，保温时间为60～120小时。

优选地，所述梯度降温包括：首先以0.1～6℃/分钟进行第一阶段降温，使黑砷磷晶体自发的生长，当温度降到520～550℃时继续保温6～10小时；再以0.4～1.0℃/分钟进行第二阶段降温，使黑砷磷晶体自发的生长，当温度降到480～500℃时继续保温8～14小时；然后以0.4～1.0℃/分钟进行第三阶段降温到室温，即得到黑砷磷晶体。