一种直接生长原子尺度二维半导体异质结的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于机械制造和材料科学工程技术领域，涉及一种直接生长原子尺度二维半导体异质结的装置及方法。
【背景技术】
[0002]二维材料是最近十年才发展起来一类重要的材料，其厚度通常从几分之一纳米到几十纳米，平面尺寸从几十纳米至几百米不等，跨越微观、介观和宏观三个尺度。二维材料由于在某一维度上具有纳米级的尺度，使其具有许多优异的物理和化学性质，如二维材料的量子尺寸效应，量子限域效应，载流子平面传输，材料表面无悬键，组成材料的原子集中在其表面，比表面积大等。
[0003]2004年由英国曼彻斯特大学A.K.Geim和K.S.Novoselov教授发现的石墨稀是二维材料的典型代表，单层厚度仅为0.335nm。石墨烯独特的二维结构赋予了其优异的电学、光学、力学和热学性能，如高速载流子迀移率(2X105cm2/V.s)，约为商用硅半导体的电子迀移率的140倍，砷化镓的20倍；高透明性(550nm时单层的透光率达97.3% );超高强度(杨氏模量达llOOGPa，断裂强度达125GPa);超高的比表面积(2630m2/g);超高的热导率(5300ff/m.K)。石墨烯这些优异的物理和化学性质使其在微纳电子器件、能源转化与存储、航空航天、复合材料等方面拥有广阔的应用前景。2011年，B.Radisavljevic等人剥离制备了类石墨烯的二维层状原子晶体二硫化钼(MoS2),单层厚度为0.63nm，禁带宽度1.8eV。带隙的出现使得MoSJt光具有很好的响应，由其构筑的晶体管电流开关比高达10 8，亚阀值斜率可达74mV/dev，光响应度可达2200A/W，接近硅材料的理论值。随着研宄的深入，类似的二硫化钨(WS2)、二砸化钼(MoSe2)、二砸化钨(WSe2)等二维层状半导体化合物逐渐被发现，而且表现出与二硫化钼类似的光电子学性质。
[0004]然而单一二维半导体在某些应用方面也存在着一定问题。例如石墨烯在室温条件下具有超快的光电响应，其响应速度可达1.5ps，且具有宽频响应特性，可实现在0.3?6 μπι波段范围工作的光电子器件。但石墨稀光电响应度仅为6.1mA/W，且通过引入电子陷阱和空洞之后，也只提高到8.61A/W ;而且石墨烯为零带隙半金属性，没有电子学意义上的“开”和“关”，严重制约其在未来电子电路中的应用。因此，如何调控石墨烯的电子特性和禁带宽度，一直是石墨烯研宄领域的关键性课题。虽然诸如MoS2这类石墨烯二维材料具有一定的带隙，较高的开关比和较高的光响应度；但也存在着一些缺点，如其电子迀移率较低(0.1?10cm2/V.s)，响应速度慢，一般在毫秒量级。如何提高此类二维半导体原子晶体的载流子迀移率，也是目前急需解决的研宄课题。
[0005]鉴于此，研宄者们试图将两种二维材料组合形成平面或垂直的异质结结构，充分利用两种材料优势，来获得性能更好的器件。在这方面，Huang等人采用物理气相沉积法，在水平放置的石英管中，以二砸化钼和二砸化钨粉末为前驱物，在带有二氧化硅层表面650?750°C下生长出了平面二砸化钼/ 二砸化钨异质结。二砸化钼和二砸化钨界面平稳过渡并未产生缺陷和晶格失调等，同时该异质结材料表现出增强的光致发光性质。Gong等人采用化学气相沉积法，在水平放置的石英管中，以硫粉和三氧化钼为前驱物，在表面放置单质钨粉和碲粉的硅片上生长出垂直的二硫化钨/ 二硫化钼异质结，同时还有少量产物为二者的水平异质结。所形成的异质结为P-η结，在二极管、太阳能电池、逻辑器件等方面具有广泛的应用前景。上述这些方法可以制备出一定尺寸的异质结，但该方法随机性较大、多种反应物质在一起，调控难度大，生长出来的异直接纯度较低，一次反应获得的产品量较少。此外，一些研宄者通过先生长出两种材料，再通过剥离转移等技术，将两种材料组合在一起形成异质结。采用这种方法，两种材料之间仅存在弱的范德华力，载流子在界面会发生严重的散射，影响材料器件性能。同时，转移的过程中不可避免的引入杂质和污染，转移过程繁琐，器件的一致性、重复性能都难以保证，制作成本高、周期长。
【发明内容】
[0006]鉴于目前在二维半导体异质结制作方面存在的不足，本发明为直接生长高质量二维半导体异质结材料提供了一种有效、快速、结构简单的装置，利用新型反应装置可以直接在基底表面生长原子尺度的二维半导体异质结。
[0007]本发明的目的是通过如下技术方案实现的:
[0008]一种直接生长原子尺度二维半导体异质结的装置，包括气氛调节装置、快速切换装置、石英管、加热装置和真空调节装置，石英管的中段位于加热装置内部，石英管的左右两端设置有快速切换装置，所述快速切换装置包括切换杆、后端盖、前端盖、第一套筒、第二套筒、第一耐高温O型圈、第二耐高温O型圈和石英构件，其中:后端盖与前端盖相连，前端盖后端与后端盖前端之间设置有第二套筒和第二耐高温O型圈，第二套筒和第二耐高温O型圈套在石英管左右两端的外表面上；切换杆包括前驱物切换杆和基底切换杆，前驱物切换杆位于石英管左侧，其个数至少为两个，基底切换杆位于石英管右侧，其个数至少为一个，切换杆的一端经后端盖与位于石英管内部的石英构件相连，切换杆与后端盖之间设置有第一套筒和第一耐高温O型圈；位于石英管左端的后端盖上开有进气口，进气口与气氛调节装置相连，位于石英管右端的后端盖上开有出气口，出气口与真空调节装置相连。
[0009]一种利用上述装置直接生长原子尺度二维半导体异质结的方法，包括如下步骤:
[0010]一、根据需要制备的材料类型，确定前驱物切换杆和基底切换杆的个数，并将反应前驱物和反应基底分别放置在相应的石英构件上；
[0011]二、通过真空调节装置使石英管内空气尽量排除；
[0012]三、通过进气口通入一定流量的载气，利用气氛调节装置和真空调节装置保持石英管内压力在实验需要的值；
[0013]四、将与基底切换杆相连的石英构件位于反应基底加热温区，也可以等升温到设定的温度后再把上述石英构件推进至反应基底加热温区，前驱物切换杆外拉，使与前驱物切换杆相连的石英构件离开反应前驱物加热温区，打开加热装置，设定反应前驱物和反应基底所需要的温度和保持时间，进行升温；
[0014]五、升温至设定的温度，移动第一个前驱物切换杆使石英构件到达反应前驱物加热温区，蒸发第一种前驱物生长第一种物质，反应至设定时间后，移动该切换杆使石英构件离开反应前驱物加热温区，结束第一种物质蒸发；
[0015]六、待加热装置的温度至设定温度，移动第二个前驱物切换杆使石英构件到达反应前驱物加热温区位置，蒸发第二种前驱物生长第二种物质，反应至设定时间后，移动该切换杆使石英构件离开反应前驱物加热温区，结束第二种物质蒸发，从而在第一种反应物质边缘或者表面外延生产出第二中物质，从而形成两种物质的异质结；
[0016]七、根据前驱物切换杆的数量重复步骤六；
[0017]八、结束反应，按设定降温速率降温至室温。
[0018]与现有技术相比，本发明具有如下优势:
[0019]1、现有的二维半导体生长装置，一次只能生长出一种材料，且生长过程仍然包含升温、反应、降温这一必要的过程。而本发明在一个生长过程中可以生长一种或多种半导体材料，从而缩短了材料生长的时间、降低了生长成本、提高了生产效率。而且这种装置不仅可以用来生长异质结，也可以在一次反应中生长两种或两种以上的单一物质。
[0020]2、目前