二维材料拉应变工程的激光冲击制备方法

技术领域

本发明涉及二维半导体材料应变工程的技术领域，具体涉及一种二维材料拉应变工程的激光冲击制备方法。

背景技术

为了满足半导体器件高集成度的需求，半导体器件的尺寸不断缩小，但随着器件尺寸不断减小，短沟道效应加重，摩尔定律逐渐失效。为了进一步提升器件的性能，研究者开始寻找新型的电子材料。二维电子材料凭借其独特原子级别的厚度及出色的栅控能力等优势脱颖而出，成为下一代半导体材料的有力竞争者，其在晶体管领域、光电探测器领域以及存储器领域都有巨大的应用潜力。二维材料是一种相对较新的原子级薄材料，能够有效的抑制短沟道效应，非常适合下一代超薄半导体器件。理论和实验结果表明，通过在二维材料中引入机械应变会改变二维材料的能带结构，从而有可能利用机械变形来显著调整它们的电子和光子性能。二维材料的应变工程引起了广泛的关注，因为单个原子层的材料与它们的对应块体材料或常规电子材料相比，本质上能够承受更大的机械应变。传统半导体的面内模式应变工程已被用来减少层间散射，在场效应晶体管中提高载流子迁移率，并降低半导体激光器中的空穴有效质量。

目前所广泛使用的使二维材料产生应变的方法为将二维材料转移到衬底上，通过控制大块衬底的变形将应变引入二维材料中。这些变形模式包括由外延、热膨胀失配和拉伸/压缩衬底引起的面内模式，以及由二维材料的起皱和翘曲、在图案化衬底上转移二维材料引起的面外模式。采用拉伸/压缩衬底引起的二维材料的应变在衬底恢复原有形状后应变即会消失，不利于实际的应用；热膨胀失配、二维材料的起皱和翘曲等方式使二维材料产生应变具有不可控性；在图案化衬底上转移二维材料需要对衬底进行合理的结构设计，同时纳米级别的图案化经常需要采用电子束光刻等高精度的图案化手段，使得制备成本大幅增加。因此，开发一种使二维材料产生可控应变的方法具有重要的意义。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种二维材料拉应变工程的激光冲击制备方法，通过激光冲击使得与金属纳米颗粒接触的二维材料产生局部的变形，对二维材料的能带结构进行调整，进而提高二维材料的电学性能并应用于二维材料电子器件。

为实现上述目的，本发明提供一种二维材料拉应变工程的激光冲击制备方法，包括以下步骤：

(1)在基底上沉积金属薄膜；

(2)将沉积的金属薄膜通过热处理等方式形成金属纳米颗粒；；

(3)在金属纳米颗粒上转移单层或少层的二维半导体材料；

(4)使用脉冲激光冲击的方法对转移的二维材料进行处理，使二维材料产生局部的应变。

优选地，所述步骤(1)中，基底包括但不限于Si/SiO

优选地，所述步骤(1)中，沉积的金属薄膜包括但不限于Au、Ag、Al、Ti、Cu，薄膜厚度为1-20nm。

进一步地，所述步骤(1)中，沉积金属薄膜的方式为磁控溅射、原子层沉积、化学气相沉积中的一种。

更进一步地，所述步骤(2)中，热处理方式为管式炉退火、快速退火炉退火和激光退火等。更进一步地，所述步骤(4)中，使用脉冲激光冲击的方法具体为：

在所述二维材料表面依次覆盖吸收层和透光层，利用脉冲激光垂直照射透光层；脉冲激光器包括但不限于纳秒激光器、皮秒激光器和飞秒激光器，激光波长包括但不限于1064nm、532nm、355nm、266nm，频率为1Hz及以上，激光功率密度大于10

更进一步地，所述步骤(4)中，为了防止激光冲击对二维材料的损伤，优选的可以在吸收层和二维材料间滴加去离子水。

本发明具有以下优点和有益效果：

本发明的二维材料拉应变工程的激光冲击制备方法，利用物理或化学等沉积方式沉积金属薄膜在SiO2/Si基片表面，通过退火处理得到金属纳米颗粒，利用脉冲激光辐照吸收层产生的高速冲击波冲击作用于转移到金属颗粒的表面，使得二维材料局部发生变形产生～5％的应变。本发明方法为能够在不损伤二维材料的前提下可控地产生局部的应力，相比于目前所广泛采用的通过弯曲衬底的来使二维材料产生应力的方法，激光冲击的方式能使局部应变长时间的保留，大幅提高二维材料的载流子迁移率等电学性能，进而用于高性能场效应晶体管等电子器件。

与现有技术相比，本发明通过控制所沉积薄膜的厚度并经过简单的退火处理后能够得到不同间隙尺寸的金属纳米颗粒，通过激光冲击作用能使二维材料在金属纳米颗粒表面发生塑性变形；二维材料的应变率可以通过调节脉冲激光的能量来有效的调控，同时此方法在二维材料上产生的应变能够得以保留。

附图说明

图1-5为本发明的一种二维材料拉应变工程的激光冲击制备方法的示意图。

图1为沉积有金属薄膜的基底的示意图

图2为经过热处理后的金属薄膜的示意图

图3为转移有二维材料的金属纳米颗粒/衬底的示意图

图4为脉冲激光冲击处理转移有二维材料/金属纳米颗粒/衬底的示意图

图5为二维材料产生应变后的示意图

其中：1.SiO

图6为磁控溅射生长的Ag薄膜经热处理后形成的Ag纳米颗粒的AFM图；

图7为转移在Ag纳米颗粒上的单层MoS

图8为脉冲激光冲击处理后的单层MoS

图9为脉冲激光冲击前后MoS

具体实施方式

为更好的理解本发明，下面的实施例是对本发明的进一步说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

本发明中涉及的转移、沉积方式、衬底及基片都是现有技术，不属于本发明的创新点，在此仅做应用。转移包括但不限定为干法转移或湿法转移等。沉积方式包括但不限定为原子层沉积、化学气相沉积、磁控溅射、电子束沉积、脉冲激光沉积、物理气相沉积等。

实施例1

本发明二维材料拉应变工程的激光冲击制备方法，具体步骤如下：

(1)将SiO

(2)使用物理气相沉积在SiO

(3)将沉积好的Ag薄膜2放入退火炉中在氩气中退火30min，温度控制在300℃，得到Ag纳米颗粒3；

(4)使用旋涂仪在SiO

(5)把固化好的带PMMA的SiO

(6)用覆盖有Ag纳米颗粒3的SiO

(10)对转移有MoS

以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。