[发明专利]一类新型二维层状半导体材料及其制备方法

说明书

本发明公开一类新型二维层状半导体材料及其制备方法，以金属单质铋Bi分别和单质硅Si，锗Ge，锡Sn在高温下烧结，反应得到具有层状结构的新型二维半导体材料。该类二维半导体材料可通过溶剂液相剥离，得到少层或多层的二维纳米片，在纳米电子应用上具有较大的潜力。

技术领域

本发明属于二维层状半导体材料及其制备技术领域，涉及一类新型IV-V族二元二维层状半导体材料XBi(X＝Si,Ge,Sn)，更加具体地说，涉及一类新型二维层状半导体材料XBi(X＝Si,Ge,Sn)及制备方法。

背景技术

近年来，随着二维材料领域的快速发展，人们通过不断的理论计算和实验探索，发现了越来越多的二维层状半导体材料。这些二维材料独特的结构特征赋予了它们丰富的物理内涵和优异的物理化学性质。在下一代光电信息功能材料、储能与生物传感器件等领域极具应用前景。2018年，Yan等人通过理论计算提出了一类新型的二维单层IV-V族二元半导体材料XBi(X＝Si,Ge,Sn)，并通过计算证明这类单层半导体材料其中的单层SiBi为具有0.226eV带隙的直接带隙半导体，其中的单层GeBi和SnBi分别为具有0.062和0.132eV带隙的间接带隙半导体，在纳米电子应用上具有较大的潜力。但该类新型的二维材料尚无实验结果支撑。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一类新型二维层状半导体材料XBi(X＝Si,Ge,Sn)及制备方法，证实该类新型二维IV-V族二元半导体材料XBi(X＝Si,Ge,Sn)是存在的，可通过高温烧结得到其层状结构材料，并可通过剥离得到其少层或多层结构。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：

二维层状半导体材料及其制备方法，按照下述步骤进行：将金属单质Bi和单质X按照等摩尔比混合均匀后，置于真空密封石英管中，再将石英管置于加热装置中进行高温烧结反应，待反应结束后即可得到二维层状半导体材料，单质X为Si，Ge，或者Sn，高温烧结参数：以0.5-5℃/min的速度自室温(20-25℃)升温到1000-1200℃并保温20—80h，然后再以0.5-5℃/min的速度降温至室温(20-25℃)。

而且，高温烧结参数：以0.5-1.5℃/min的速度自室温(20-25℃)升温到1000-1200℃并保温24-72h，然后再以0.5-1.5℃/min的速度降温至室温(20-25℃)。

而且，高温烧结参数：以1-3℃/min的速度自室温(20-25℃)升温到1000-1100℃并保温30-60h，然后再以1-3℃/min的速度降温至室温(20-25℃)。

反应结束后将石英管打破，得到具有金属光泽的产物，即制备了二维IV-V族二元半导体材料。将产物可通过溶剂液相剥离得到少层或多层的二维纳米片，证明二维层状半导体材料微观形貌为层状结构，如附图4所示。

将本发明制备的产物进行XRD表征，如附图1所示，表明产物主要沿多个晶面取向，具有良好的结晶性，且产物的结晶峰与原反应物单质的完全不同，表明反应物通过反应生成了新的结构，即目标产物。三种产物SiBi、GeBi、SnBi结晶峰形比较相似，表明SiBi、GeBi、SnBi三种产物具有相似的晶体结构。如图2中扫描电镜图片可知，三种产物SiBi、GeBi、SnBi均具有明显的层状结构。通过NMP溶剂液相剥离后，将所得样品分散液旋涂在硅片上通过光学显微镜观察，可以明显的看到样品为薄层纳米片，说明通过高温烧结反应所得到的层状样品可以很容易的通过液相剥离得到薄层纳米片。

本发明提供一类新型二维层状半导体材料XBi(X＝Si,Ge,Sn)及制备方法，证实该类新型二维IV-V族二元半导体材料XBi(X＝Si,Ge,Sn)是存在的，可通过高温烧结得到其层状结构材料，并可通过剥离得到其少层或多层结构。

附图说明

图1是本发明制备的产物SiBi、GeBi、SnBi的XRD图谱。