一种铋基氧硒化物及其利用化学气相沉积生长的方法与应用

技术领域

本发明涉及氧硒化铋薄膜制备领域，更具体的说是一种铋基氧硒化物及其利用化学气相沉积生长的方法与应用。

背景技术

近年来，二维材料因其超薄、超大比表面积、高载流子迁移率、高效沟道电流调节和优异的集成度在高性能电子器件中显示出巨大的应用潜力。在光电传感、太阳能电池、忆阻器、超导器件等领域被认为是有希望的备选材料。

目前，大多数二维材料的合成方法主要依赖于机械剥离、液相剥离、气相沉积、外延生长等方式，且物理气相沉积包含激光脉冲沉积(PLD)、分子束外延(MBE)等在内的生长大面积薄膜材料的方法，但考虑到材料生长成本效益的问题，化学气相沉积仍然是目前合成二维材料的主流方式。

氧硒化铋是一种新兴的二维半导体材料，具有非常高的电子迁移率、适度的中等带隙(0.8eV)、接近理想的亚阈值摆幅以及出色的热稳定性。得益于这些优异的性质，氧硒化铋家族备受研究者们的关注。例如现有技术中一种制备氧硒化铋的方法，采用分子束外延法在SrTiO

对于铋基氧硒化物的研究探索中，Bi

发明内容

本发明的目的在于提供一种铋基氧硒化物及其利用化学气相沉积生长的方法与应用，用于解决目前铋基氧硒化物批量生产难、重复实验性差的问题。

为解决上述技术问题，采用了如下技术方案：

一种化学气相沉积生长铋基氧硒化物的方法，将含硒元素的前驱体和含铋元素的前驱体沿管式炉的气流方向上游端区域依次放置，生长基底置于反应炉的气流方向下游端区域，在保护性气体环境下对所述含硒元素的前驱体和含铋元素的前驱体进行热处理，热处理后在通入保护性气体的条件下将反应体系自然冷却，得到Bi

进一步的，具体包括如下步骤：

步骤一，空烧管式炉，排除杂质对实验过程的影响；

步骤二，称取质量比为1:1的含硒元素的前驱体和含铋元素的前驱体，并将含硒元素的前驱体放置在管式炉第一温区中心位置，将含铋元素的前驱体放置在管式炉第二温区中心位置，生长基底放置在距离含铋元素的前驱体12-15cm处，通过化学气相沉积反应得到铋基氧硒化物，且放置含硒元素的前驱体时需要用锡纸包裹，防止其挥发过快；

步骤三，以200sccm的流速通入载气，排除反应管道内的空气；

步骤四，设置反应所需的流速值和管式炉内气压；

步骤五，设置所需的反应温度和保温时间，保温时间是30-60min；

步骤六，沉积结束关闭载气，自然冷却到室温，取出沉积样品。

进一步的，所述含硒元素的前驱体为硒粉，含铋元素的前驱体为氧化铋粉末。

进一步的，所述化学气相沉积所用的生长基底为氟金云母片。

进一步的，所述Bi

进一步的，在生长Bi

所用的载气是高纯氩气；

所述含硒元素的前驱体与含铋元素的前驱体距离为15cm，所述氟金云母衬底距离含铋元素的前驱体13-15cm；

所述载气流速值和管式炉内气压分别控制为60sccm和300Torr；

所述含硒元素的前驱体的反应温度为260℃，所述含铋元素的前驱体的反应温度为680℃。

进一步的，所述Bi

进一步的，在生长Bi

所用的载气是氩氢气，且氢气的体积分数为5％；

所述含硒元素的前驱体与含铋元素的前驱体距离为19-20cm，所述氟金云母衬底距离含铋元素的前驱体12-13cm；

所述载气流速值和管式炉内气压分别控制为100sccm和200Torr；

所述含硒元素的前驱体的反应温度为300℃，所述含铋元素的前驱体的反应温度为680℃。

一种铋基氧硒化物在制备微纳电子器件或化学生物传感器中的应用

与现有技术相比，本发明具有如下优势：

本发明利用化学气相沉积技术通过探究实验参数(温度、流速、距离以及压力)的影响，提供了一种生长不同配比铋基氧硒化物的方法。

(1)采用硒粉和氧化铋粉末作为生长铋基氧硒化物的前驱体材料，与硒化铋发生复杂的分解反应相比，硒源主要挥发到单个的Se

(2)生长的氧硒化铋Bi

(3)通过将高纯氩气换为氢气体积分数为5％的氩氢气，生长出不同配比的硒氧化铋半导体Bi

(4)该方法制备的这两种不同配比的铋基氧硒化物材料，制备操作简单，满足材料器件的低功耗要求，能够用于后续的光电器件集成。

附图说明

图1为本发明利用化学气相沉积生长铋基氧硒化物的方法示意图；

图2为实施例一Bi

图3为实施例一Bi

图4为实施例一Bi

图5为实施例一Bi

图6为实施例二Bi

图7为实施例二Bi

具体实施方式

下面的实施例可使本专业技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

一种化学气相沉积生长铋基氧硒化物的方法，所述铋基氧硒化物为Bi

一种化学气相沉积生长铋基氧硒化物的方法，包括如下步骤：

步骤一：实验前，将实验所需的石英管和瓷舟在800℃下空烧10min，利用机械泵抽真空，通入保护性气体，将石英管内壁上附着的杂质清扫干净，排除杂质对实验过程的影响；

步骤二：取出真空干燥箱中的前驱体材料硒粉和氧化铋粉末，利用分析天平分别称取质量比为1:1的硒粉和氧化铋粉末，分别置于两个不同的瓷舟中；

步骤三：利用解理刀将氟金云母进行剥离，放置在耐高温的石英玻璃载玻片上，防止其掉落；

步骤四：利用长钩依次将解理的新鲜氟金云母片瓷舟、装有氧化铋粉末瓷舟以及用锡纸包裹后的装有硒粉的瓷舟放置在固定位置，具体的，将装有含硒元素的前驱体的瓷舟放置在管式炉第一温区中心位置，将装有含铋元素的前驱体的瓷舟放置在管式炉第二温区中心位置，氟金云母衬底放置在距离含铋元素的前驱体12-15cm处；

步骤五：关闭设备箱体盖子，利用机械泵进行抽真空，抽至X*E

步骤六：洗气结束后，设置高纯氩气到固定值，打开气体阀门，通过控制闸板阀的开合调节管式炉内气压；

步骤七：设置管式炉运行程序，设置反应温度和保温时间，开始实验，保温时间是30-60min；

步骤八：反应结束后，关闭气体阀门、闸板阀以及机械泵，等待腔体自然冷却到室温，破真空后取出实验样品；

所述含硒元素的前驱体为硒粉，含铋元素的前驱体为氧化铋粉末，所述化学气相沉积所用的基底为氟金云母片。

所述Bi

在生长Bi

所用的载气是高纯氩气；

所述含硒元素的前驱体与含铋元素的前驱体距离为15cm，所述氟金云母衬底距离含铋元素的前驱体13-15cm；

所述载气流速值和管式炉内气压分别控制为60sccm和300Torr；

所述含硒元素的前驱体的反应温度为260℃，所述含铋元素的前驱体的反应温度为680℃。

所述Bi

在生长Bi

所用的载气是氢气体积分数为5％的氩氢气；

所述含硒元素的前驱体与含铋元素的前驱体距离为19-20cm，所述氟金云母衬底距离含铋元素的前驱体12-13cm；

所述载气流速值和管式炉内气压分别控制为100sccm和200Torr；

所述含硒元素的前驱体的反应温度为300℃，所述含铋元素的前驱体的反应温度为680℃。

所述方法制备得到的铋基氧硒化物在制备微纳电子器件、光学器件或化学生物传感器中的应用。

实施例1

利用分析天平称取2g的硒粉和2g的氧化铋粉末(质量比1:1)放置在瓷舟中，氧化铋的熔点高于硒粉熔点，故将氧化铋粉末放置在管式炉第二温区的中心位置，硒粉放置在第一温区，距离氧化铋粉末15cm处，氟金云母衬底放置在距离氧化铋13-15cm处，氧化铋温度设置为680℃，硒粉温度设置为260℃，通入60sccm的高纯氩气，维持管内压强为300Torr,反应时间60min,沉积结束后停止通入氩气，自然冷却至室温，将沉积有氧硒化铋Bi

从图2中可以看出在氟金云母衬底上生长出了尺寸25μm左右的四方Bi

实施例2

利用分析天平称取0.5g硒粉和0.5g氧化铋粉末(质量比1:1)放置在瓷舟中，氧化铋的熔点高于硒粉熔点，故将氧化铋粉末放置在管式炉第二温区的中心位置，硒粉放置在第一温区，距离氧化铋粉末19-20cm处，氟金云母衬底放置在距离氧化铋12-13cm处，氧化铋温度设置为680℃，硒粉温度设置为300℃，通入100sccm的氢气体积分数为5％的氩氢气，维持管内压强为200Torr，沉积结束后停止通入氩氢气，自然冷却至室温，将沉积有硒氧化铋纳米片Bi

本实施例在制备Bi

从图6上可以看出在氟金云母衬底上生长出了六边形Bi

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。