[发明专利]一种石墨烯/黑磷烯复合薄膜晶体管及制备方法

说明书

本发明涉及电子材料制备的技术领域，提供了一种石墨烯/黑磷烯复合薄膜晶体管及制备方法。该复合薄膜晶体管是通过先制备氮掺杂石墨烯及氯化重氮苯改性黑磷烯，然后将二者加入去离子水中形成分散液，再将分散液采用交流电泳法在高掺杂硅基片上的源极和漏极之间的沟道中进行沉积，经自然晾干而制得。本发明制得的石墨烯/黑磷烯复合薄膜晶体管结合了石墨烯载流子迁移率高、黑磷烯开关电流比大的优点，并且稳定性好。

技术领域

本发明属于电子材料制备的技术领域，提供了一种石墨烯/黑磷烯复合薄膜晶体管及制备方法。

背景技术

在平板显示器中，高性能的薄膜晶体管是必不可少的核心器件。由薄膜晶体管组成的有源矩阵控制着显示器的每一个像素点，在响应速度、显示亮度、显示对比度、分辨率等方面起到关键作用。目前的平板显示器多采用非晶硅薄膜晶体管，随着技术进步，一些新型半导体材料可代替非晶硅用来制备薄膜晶体管。

石墨烯具有良好的物理和化学性能，其强度高，韧性好，弹性模量高，透明性好，比表面积大，并且具有良好的导热性能，尤其是，由于石墨烯是零带隙结构，因而具有极高的电子迁移率，并且其电子迁移率不随温度而变化，因此，采用石墨烯材料制备薄膜晶体管具有广阔的应用前景。但是，石墨烯的零带隙结构在赋予其极高的电子迁移率的同时，也导致石墨烯薄膜晶体管的开关电流比较小，难以达到应用要求。

黑磷烯具有与石墨烯相似的二维结构，其载流子迁移率较高（但低于石墨烯），并且具有可调节的直接带隙，因此黑磷烯可解决石墨烯开关电流比较小的缺陷。但是，黑磷烯结构性能不稳定，容易氧化降解，制约了其应用。将石墨烯与黑磷烯复合制备成薄膜晶体管，在结合二者优势的同时，采用技术手段克服二者的缺陷，可促进石墨烯、黑磷烯在电子显示领域的应用。

发明内容

可见，石墨烯薄膜晶体管具有开关电流比较小、难以达到应用要求的缺陷，而黑磷烯具有结构性能不稳定、容易氧化降解的缺陷。针对这种情况，本发明提出一种石墨烯/黑磷烯复合薄膜晶体管及制备方法，旨在将石墨烯与黑磷烯复合制备成薄膜晶体管的沟道材料，在结合二者优势的同时，采用技术手段克服二者的缺陷，从而获得载流子迁移率较高、开关电流比较大且稳定性好的复合薄膜晶体管。

为实现上述目的，本发明涉及的具体技术方案如下：

一种石墨烯/黑磷烯复合薄膜晶体管的制备方法，所述薄膜晶体管制备的具体步骤如下：

（1）将氧化石墨加入去离子水中，超声分散6~8h，然后以3000~4000r/min的转速离心分离30~50min，取50%上层清液，加入尿素、水合肼，搅拌20~40min得到混合液，将混合液转移至PTFE内衬的水热反应釜中，加热至160~170℃反应3~3.5h，再离心分离，洗涤，冷冻干燥，得到氮掺杂石墨烯；

（2）将黑磷原料加入甲醇中，超声分散12~15h，然后以6000~7000 r/min的转速离心分离30~50min，取50%上层清液，加入氯化重氮苯，搅拌20~40min得到混合液，将混合液置于真空箱中，加热至65~68℃，直至甲醇完全挥发除去，得到氯化重氮苯改性黑磷烯；

（3）以高掺杂硅基片为底栅极，在基片上设置二氧化硅绝缘层，然后通过真空热蒸镀在二氧化硅绝缘层上形成金属铝薄膜，再光刻得到源极和漏极；高掺杂硅基片的电阻率＜0.001Ω·cm；

（4）将氮掺杂石墨烯、氯化重氮苯改性黑磷烯加入去离子水中，超声分散20~40min，将所得分散液加入源极与漏极之间的沟道中，然后在源极和漏极上加载交流电压，使氮掺杂石墨烯、氯化重氮苯改性黑磷烯沉积在沟道中形成复合薄膜，然后停止电压并自然晾干，得到石墨烯/黑磷烯复合薄膜晶体管。