一种用于太赫兹探测的晶圆级狄拉克半金属二碲化铂的生长方法

技术领域

本发明涉及拓扑半金属材料技术领域，具体涉及一种用于太赫兹探测的晶圆级狄拉克半金属二碲化铂的生长方法。

背景技术

太赫兹辐射在电磁谱中位于微波和红外频段之间，介于光子和电子波长的过渡区，得益于其能量低，频段特殊，穿透力强，在医疗医学，信息通信及光电探测等领域都有巨大的应用前景，其中光电探测是太赫兹技术的关键领域。由于太赫兹波段光子能量一般远小于半导体带隙，基于硅基，氮化镓等传统半导体制备的太赫兹探测器在室温下表现平平。目前研究多以石墨烯等二维材料为主，但是光吸收能力弱，暗电流噪声大，集成工艺难等不足限制了以二维材料为基础的光电探测器的发展。因此，探索新型光电探测材料，对于太赫兹技术有重大研究意义。

二碲化铂(PtTe

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种用于太赫兹探测的晶圆级狄拉克半金属二碲化铂的生长方法，本发明采用晶圆级氧化铝衬底，控制Pt源和Te源蒸发速率，利用分子束外延技术实现了大面积连续单晶狄拉克半金属二碲化铂二维薄膜的制备。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

本发明提供了一种用于太赫兹探测的晶圆级狄拉克半金属二碲化铂的生长方法，包括以下步骤：

S1、先对大面积氧化铝衬底进行高温预处理，然后降温至生长温度；

S2、采用分子束外延技术生长二碲化铂：分别通过电子束源加热蒸发Pt源和坩埚蒸发源加热蒸发Te源，待蒸发速率稳定后开始薄膜生长，生长结束后得到用于太赫兹探测的晶圆级狄拉克半金属二碲化铂。

优选地，步骤S1中，所述高温预处理为在500-600℃下加热30～40min。

优选地，步骤S1中，所述生长温度为250～300℃。

优选地，步骤S2中，所述电子束功率设置为1400～1800W，所述Te源温度设置为370～420℃。

优选地，步骤S2中，控制生长速度为每4～6min生长一个原子层。

优选地，步骤S2中，所选Pt源的纯度在99.99％以上，所述Te源的纯度在99.99％以上。

本发明所制得的的晶圆级狄拉克半金属二碲化铂应用于大规模阵列的太赫兹光电探测器的制备。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明开创了利用分子束外延技术制备得到大面积连续单晶狄拉克半金属二碲化铂二维薄膜，先对大面积晶圆级氧化铝衬底进行退火预处理，再分别用坩埚蒸发源加热蒸发低熔点的Te源，用电子束源电子轰击高熔点的Pt源，控制Pt源和Te源蒸发速率，从而稳定地生长薄膜。本发明一方面在生长技术上相比于化学气相沉积，晶体质量更高，薄膜更均匀，生长过程可控性更高，可通过生长不同厚度得到不同带隙能量的二碲化铂薄膜；另一方面相比于传统的机械剥离，可以得到大面积的二碲化铂薄膜，在后续大面积集成阵列光电探测器件的制备工艺上具备巨大的优势。另外，本发明选用大面积氧化铝作为外延衬底，氧化铝在集成工艺中的使用较多，技术也较为成熟，比大面积云母片拥有更平整的衬底平面和坚固性。本发明所制得的二碲化铂室温下稳定，无需保护层，有高载流子迁移率，并且在太赫兹波下具有高响应度，属于Ⅱ型狄拉克半金属，具有倾斜的狄拉克锥能带结构，可实现在室温下从中红外到太赫兹的光电探测。

附图说明

图1为晶圆级PtTe

图2为氧化铝衬底和PtTe

图3为晶圆级PtTe

图4为PtTe

图5为6个原子层PtTe

图6为4个原子层PtTe

图7为大面积二碲化铂在太赫兹波段的I-t响应图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，下述实施例中所用的试验材料，如无特殊说明，均为可通过常规的商业途径购买得到。

实施例1用于太赫兹探测的晶圆级狄拉克半金属二碲化铂的生长方法

所有步骤都在分子束外延设备(MBE，OMICRON生产)中进行，所有工艺流程保持超高真空度，图1为晶圆级PtTe

1、预处理衬底

本实施例所使用的大面积氧化铝衬底规格为<0001>/<11-20>，dia1”×0.5mm，单面抛光；在送样腔内将氧化铝衬底放置于托板上，用真空泵抽取至高真空度至10

2、调控衬底温度和生长温度

设置衬底生长温度为260℃，将退火完毕后的氧化铝衬底从550℃降温至260℃，经过实验发现衬底生长温度为250℃以下容易出现多晶，而300℃以上结晶性差，容易出现非晶，因此最终选取260℃为生长温度；

在薄膜生长之前，Pt源和Te源束源挡板要保持打开，衬底托盘下的挡板保持关闭；所用Pt源纯度为99.999％，Te源纯度为99.9999％；由于Pt源熔点高，因此选取电子束源蒸发，利用电场加速灯丝电子轰击高熔点材料达到蒸发出原子的功能，通过调控电子束功率来控制Pt源蒸发速率，Pt源电子束功率设定为1600W；而Te源熔点低，选用坩埚蒸发源加热蒸发低熔点材料，坩埚蒸发源温度设定为390℃，使腔内为富Te气氛；在薄膜生长前，Pt源和Te源蒸发温度要达到设定值并且蒸发速率保持稳定；

3、设定生长时间

当蒸发速率稳定后，打开衬底托盘下的挡板，使Pt原子和Te原子可以到达设定温度的衬底，开始生长PtTe

实验例1晶圆级狄拉克半金属二碲化铂的表征

1、PtTe

对4个原子层PtTe

2、PtTe

4个原子层PtTe

3、PtTe

将6个原子层PtTe

4、PtTe

将4个原子层PtTe

5、PtTe

对PtTe

综上所述，本发明利用分子束外延技术实现了大面积连续单晶狄拉克半金属二碲化铂二维薄膜，相比于化学气相沉积和机械剥离，生长得到的晶体质量可以更高，薄膜更均匀，生长制备可控性更高，可通过生长不同厚度得到不同带隙能量的二碲化铂薄膜，且在后续大面积集成阵列光电探测器件的制备工艺上具备巨大的优势。本发明所制得的二碲化铂室温下稳定，无需保护层，有高载流子迁移率和高电导性，属于Ⅱ型狄拉克半金属，具有倾斜的狄拉克锥能带结构，可实现在室温下从中红外到太赫兹的光电探测。

以上对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。