一种二维铟掺杂的铋氧硒及其制备方法和应用

1.本发明属于半导体材料在器件中的应用技术领域，特别涉及一种二维铟掺杂的铋氧硒(in-bi2o2se)及其制备方法和在半导体器件上的应用。


背景技术：

2.二维材料是指电子仅可在两个维度的纳米尺度(1-100nm)上作平面自由运动的材料，即由单原子或几个原子层构成的晶体材料，因此具有超薄的原子层厚度。除此之外，二维材料还具有层数决定的连续可调能带结构、大的比表面积及极强的光与物质相互作用等特点，使其广泛应用在光探测器、发光二极管、太阳能电池、能源、环境催化等领域。目前，常用的二维材料有石墨烯、过渡金属硫化物、黑磷、六方氮化硼等，但是由于石墨烯的零带隙、黑磷在空气中的不稳定性、六方氮化硼的绝缘性以及二硫化钼响应速度慢的问题都极大限制了它们在器件中的实际应用。因此，越来越多的科技工作者不断注重于挖掘新的二维材料，以便于异质结的搭建而制备高性能的半导体器件。
3.近年来，二维bi2o2se由于其优异的电子迁移率和空气稳定性，使其在电子和光电器件中具有广阔的前景。但是，随着对bi2o2se的不断了解，人们发现在制备中很容易获得形状不规则，厚度不均匀的bi2o2se。此外，为了调整半导体的性质，使其更好应用在半导体器件中，元素掺杂则是一种有效的方式。通过元素掺杂，可以提升bi2o2se在其电子和光电器件的中的使用性能。然而，由于二维bi2o2se稳定的结构使得难以对其进行有效掺杂，限制了其在半导体器件中的应用。此外，为了推广掺杂型二维bi2o2se的应用，需要制备出形状规则、尺寸合适、厚度均匀适中的四方形掺杂型二维bi2o2se。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本发明的首要目的在于提供一种形状规则、厚度均匀、尺寸适中的二维铟掺杂的铋氧硒(in-bi2o2se)。
5.本发明的另一目的在于提供一种上述制备方法制备得到的二维铟掺杂的铋氧硒。
6.本发明的再一目的在于提供一种上述二维铟掺杂的铋氧硒的应用。
7.本发明的目的通过下述技术方案来实现：
8.一种二维铟掺杂的铋氧硒的制备方法，包括以下操作步骤：将bi2se3和bi2o3作为反应物，以inse作为掺杂剂，以氟金云母片作为生长衬底；将bi2se3、bi2o3、inse和氟金云母片依次放置在石英舟上，然后将石英舟放入管式炉中，保证管式炉的密闭性；向管式炉中通入氩气以除去炉管中的空气，bi2se3处于气流的上游，氟金云母片处于气流的下游，开启管式炉的加热源，通过化学气相沉积法，在氟金云母片上沉积得到二维铟掺杂的铋氧硒。
9.所述bi2se3和bi2o3的质量比为1：2；所述inse的用量为bi2se3质量的1/30。
10.所述bi2se3的质量为0.15g，所述bi2o3的质量为0.3g，所述inse的质量为5mg。
11.所述bi2se3放置在距离加热源中心上游8cm处。
12.所述氟金云母片的规格为10mm
×
10mm
×
0.2mm；所述氟金云母片是先将完整的氟
金云母切割成规格约为10mm
×
10mm
×
0.1mm，所切开的氟金云母片的新鲜一面朝上，放置在石英舟上，用以生长二维铟掺杂的铋氧硒。
13.所述向管式炉中通入氩气以除去炉管中的空气具体是向管式炉中通氩气5-10min，气流大小为160sccm。
14.所述化学气相沉积法具体按照以下步骤：开启管式炉的加热源，调节氩气气流大小为16-40sccm，在0.5h内加热升温至最终温度700℃；在700℃下保温0.5h，保温时的氩气气流大小调节为100sccm；保温结束之后开始降温，此时将氩气气流调节为16-40sccm，待温度降到50-60℃时关闭氩气气流。
15.一种由权利要求1-7任一项所述的制备方法制备得到的二维铟掺杂的铋氧硒，具有规则四方形状的外形，其尺寸约为30微米，厚度均匀。
16.上述的二维铟掺杂的铋氧硒在制备二维半导体器件中的应用
17.本发明相对于现有技术具有如下的优点及有益效果：
18.(1)本发明采用化学气相沉积法，bi2se3和bi2o3作为反应物，少量inse作为掺杂剂，所制备出的in-bi2o2se纳米片中，in元素均匀的分布在bi2o2se当中，实现了对二维bi2o2se的均匀in掺杂；此外，通过改变in的掺杂量，也可以改变in在bi2o2se的掺杂量。
19.(2)本发明在制备过程中操作简便，反应设备安全系数高，反应条件易于控制，制备过程中受外界条件影响系数小；且制备材料时间相对于未掺杂in所制备的时间短，易于高效率生产；此外，在制备过程中涉及到的物品无毒或者毒性较小。
20.(3)本发明制备的in-bi2o2se具有良好的光电响应性能，出色的环境稳定性，有潜力应用于新一代光电器件中。
附图说明
21.图1为实施例1中制备的in-bi2o2se的光学显微照片。
22.图2为实施例1中制备的in-bi2o2se的光学显微照片。
23.图3为实施例1中制备的in-bi2o2se的各元素mapping图。
24.图4为实施例1中制备的in-bi2o2se的器件光电响应图，其中(a)为in-bi2o2se搭建电极的光学显微图，(b)为in-bi2o2se的i
ds-v
ds
曲线，(c)为in-bi2o2se的上升时间，(d)为in-bi2o2se的下降时间。
25.图5为实施例2中制备的in-bi2o2se的afm图。
26.图6为实施例2中制备的in-bi2o2se的raman图。
具体实施方式
27.下面结合具体实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
28.实施例1
29.1.称量0.3g bi2o3、0.15g bi2se3和5mg inse；
30.2.取出完整的氟金云母，先将完整的氟金云母进行切割，切割成规格约为10mm
×
10mm
×
0.2mm，所切开的氟金云母片的新鲜面朝上，放置在石英舟上，用以生长二维铟掺杂
的铋氧硒；重复以上操作，根据石英舟的大小和合适衬底间距，在石英舟上放置数量合适的云母片。
31.3.将bi2se3、bi2o3、inse和氟金云母片依次放置在石英舟上，然后将石英舟放入管式炉中，并保证管式炉的密闭性；接着向管式炉中通入氩气，6min，气流大小为160sccm，以除去炉管中的空气；bi2se3处于气流的上游，氟金云母片处于气流的下游；通过化学气相沉积法，在氟金云母片上沉积得到二维铟掺杂的铋氧硒(in-bi2o2se)；所述化学气相沉积法具体按照以下步骤：开启管式炉的加热源，调节氩气气流大小为35sccm，在0.5h内加热升温至最终温度700℃；在700℃下保温0.5h，保温时的氩气气流大小调节为100sccm；保温结束之后开始降温，此时将氩气气流调节为35sccm，待温度降到60℃时关闭氩气气流。
32.4.化学气相沉积结束后，取出沉积了in-bi2o2se的氟金云母片，将其在光学显微镜下观察，如图1和图2所示，可以发现in-bi2o2se样品，并且其形状规则、厚度均匀。
33.5.通过对上述in-bi2o2se样品进行表征，根据能谱mapping图(如图3所示)可以观察到in元素均匀地分布在bi2o2se中。
34.6.通过对上述in-bi2o2se样品进行性能测试，如图4所示，根据i
ds-v
ds
和响应时间图，可以了解到in-bi2o2se具有较低的暗电流和较快的响应速度。
35.实施例2
36.1.称量0.3g bi2o3、0.15g bi2se3和5mg inse；
37.2.取出完整的氟金云母，对云母片进行切割，使新鲜切开的云母面朝上，放置在石英舟上；重复以上操作，根据石英舟的大小和合适衬底间距，在石英舟上放置数量合适的云母。
38.3.将bi2se3、bi2o3、inse和氟金云母片依次放置在石英舟上，然后将石英舟放入管式炉中，保证管式炉的密闭性；接着向管式炉中通入氩气8min，气流大小为160sccm，以除去炉管中的空气；bi2se3处于气流的上游，氟金云母片处于气流的下游；通过化学气相沉积法，在氟金云母片上沉积得到二维铟掺杂的铋氧硒(in-bi2o2se)；所述化学气相沉积法具体按照以下步骤：开启管式炉的加热源，调节氩气气流大小为30sccm，在0.5h内加热升温至最终温度700℃；在700℃下保温0.5h，保温时的氩气气流大小调节为100sccm；保温结束之后开始降温，此时将氩气气流调节为30sccm，待温度降到60℃时关闭氩气气流。
39.4.化学气相沉积结束后，取出沉积了in-bi2o2se的氟金云母片，将其在光学显微镜下观察，可以发现in-bi2o2se样品，并且其形状规则、厚度均匀。
40.5.将in-bi2o2se进行afm、raman测试，如图5、图6所示，可以发现in-bi2o2se的厚度适中，且拉曼峰数值与理论峰值一致。
41.上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种二维铟掺杂的铋氧硒的制备方法，其特征在于包括以下操作步骤：将bi2se3和bi2o3作为反应物，以inse作为掺杂剂，以氟金云母片作为生长衬底；将bi2se3、bi2o3、inse和氟金云母片依次放置在石英舟上，然后将石英舟放入管式炉中，保证管式炉的密闭性；向管式炉中通入氩气以除去炉管中的空气，bi2se3处于气流的上游，氟金云母片处于气流的下游，开启管式炉的加热源，通过化学气相沉积法，在氟金云母片上沉积得到二维铟掺杂的铋氧硒。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述bi2se3和bi2o3的质量比为1：2；所述inse的用量为bi2se3质量的1/30。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述bi2se3的质量为0.15g，所述bi2o3的质量为0.3g，所述inse的质量为5mg。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述bi2se3放置在距离加热源中心上游8cm处。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述氟金云母片的规格为10mm
×
10mm
×
0.2mm；所述氟金云母片是先将完整的氟金云母切割成规格约为10mm
×
10mm
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0.1mm，所切开的氟金云母片的新鲜一面朝上，放置在石英舟上，用以生长二维铟掺杂的铋氧硒。6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述向管式炉中通入氩气以除去炉管中的空气具体是向管式炉中通氩气5-10min，气流大小为160sccm。7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述化学气相沉积法具体按照以下步骤：开启管式炉的加热源，调节氩气气流大小为16-40sccm，在0.5h内加热升温至最终温度700℃；在700℃下保温0.5h，保温时的氩气气流大小调节为100sccm；保温结束之后开始降温，此时将氩气气流调节为16-40sccm，待温度降到50-60℃时关闭氩气气流。8.一种由权利要求1-7任一项所述的制备方法制备得到的二维铟掺杂的铋氧硒。9.根据权利要求8所述的二维铟掺杂的铋氧硒在制备二维半导体器件中的应用。

技术总结
本发明属于半导体材料在器件中的应用技术领域，公开了一种二维铟掺杂的铋氧硒(In-Bi2O2Se)及其制备方法和在半导体器件上的应用。所述二维铟掺杂的铋氧硒是将硒化铋和氧化铋作为生长源，硒化铟作为掺杂源，以放置在石英舟上的云母为衬底，通过化学气相沉积法制备出来的。所述的Bi2Se3和Bi2O3具有一定的化学质量比，作为掺杂剂的InSe具有特定的质量，所述的云母衬底为氟金云母，所述的反应设备为管式炉。制备出来的In掺杂Bi2O2Se形状规则，In元素在Bi2O2Se中分布均匀，且具有良好的光电性能和优异的响应性能，可用于二维半导体器件的制备，相对于其他半导体材料具有较大的优势。相对于其他半导体材料具有较大的优势。


技术研发人员：郑照强 陈美妃 黄梓豪 招瑜
受保护的技术使用者：广东工业大学
技术研发日：2023.04.10
技术公布日：2023/7/7