一种化学气相沉积制备二维宽禁带钨酸铋半导体纳米薄膜的方法

本发明属于二维半导体材料领域，具体涉及一种具有宽禁带的bi2wo6半导体纳米薄膜制备方法

背景技术：

1、目前，摩尔定律日趋逼近极限，集成电路走向后摩尔时代，器件的微型化、高密度、智能化已经成为了微电子领域的趋势与追求。二维材料是指少层或单层的层状材料，因其在下一代电子器件的尺寸微缩方面的潜力和其具有丰富的物理性质引起了人们的极大兴趣。宽禁带半导体主要特点是具有较大的带隙(＞2.3ev)，具有较高的电子迁移率和较低的载流子浓度，在大功率电子器件、紫外光电器件等领域具有重要的应用价值。

2、bi2wo6是一类独特的宽禁带层状半导体，属于铋基层状氧化物，其拥有与氮化镓、碳化硅可比拟的直接带隙(3.0ev)、面内铁电性、高介电常数、极佳的空气稳定性等优异的性能，在光催化、铁电、铁磁、介电等领域受到广泛关注。超薄bi2wo6纳米薄膜对器件的微型化和通过面内极化消除去极化场的限制都具有重要意义。然而，bi2wo6已报道的合成方法主要有水热合成法和脉冲激光沉积(pld)合成法，其中水热合成法生长出的bi2wo6具有晶体质量低和面积小的缺点，pld合成法成本高昂、速度慢，都难以满足电子器件的应用需求。化学气相沉积(cvd)方法具有低成本、速度快、适用范围广、设备简单、可大面积合成的高质量晶体薄膜材料等优点。迄今为止，国际上利用cvd方法可控合成出高质量的亚10nm厚度的bi2wo6单晶薄膜及其自支撑直立单晶的方法还尚未报道。

3、如何低成本、便捷、高效地合成高质量的超薄bi2wo6纳米薄膜是一个亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种合成具有宽带隙的bi2wo6半导体纳米薄膜制备方法。

2、本发明提供的bi2wo6是一种层状半导体材料，该物相属于正交晶系，是由正电荷[bi2o2]n2n+层和负电荷[wo4]n2n-层沿着c轴方向交替堆叠而成的非中性层状晶体结构。根据光学吸收测试拟合表明，bi2wo6晶体具有合适的带隙～3.0ev，这与理论报道的一致，是一种宽带隙半导体材料，可能应用于铁电存储器、功率器件、光电器件、光电突触等研究领域。

3、本发明提供的制备层状bi2wo6半导体薄膜的方法，包括如下步骤：

4、以wcl6和bi2o3粉末为原料，进行化学气相沉积，沉积完毕后得到所述超薄层状bi2wo6半导体薄膜。

5、上述方法中，所述wcl6粉末和bi2o3粉末质量比为0.1～0.6:1。具体可为0.1、0.2:1。

6、所述化学气相沉积在基底上进行；

7、所述基底具体为云母，化学式为kmg3(alsi3010)f2。

8、所述化学气相沉积步骤中，载气为氩气，并在微量氢气辅助下进行，载气流量为50～400sccm。

9、体系压强为100-700torr，具体可为400或700torr。

10、沉积温度为600-950℃，具体可为600℃、700℃或900℃。

11、沉积时间为5-40分钟，具体可为10，30分钟。

12、所述化学气相沉积具体可为在管式炉中进行，更具体为原料位于管式炉中心位置，云母基底位于原料上方0.1～2cm左右。

13、所述方法还包括如下步骤：在所述化学气相沉积步骤之后，将体系自然降温至室温。

14、所述bi2wo6层状半导体薄膜材料，属于n型半导体，薄膜厚度在5-200nm之间，除了合成出了具有平面生长的纳米结构，还合成出了具有自支撑的直立结构。

15、在紫外光照射下，bi2wo6器件显示出＞105的电流开关比，以及超低的暗电流～0.1pa，此外，还表现出超长的持续性光电导特性(～7h)。

16、按照上述方法制备得到的层状bi2wo6半导体薄膜及该半导体薄膜在制备光电器件、场效应晶体管、光电突触器件中的应用，也属于本发明的保护范围。

17、本发明的技术效果是：

18、本发明介绍了一种通过化学气相沉积(cvd)在云母衬底上外延生长出二维宽禁带bi2wo6半导体单晶薄膜的方法，其厚度最薄可达5.5纳米，其晶畴可达309微米，此外，还可控生长出了便于转移的自支撑的直立bi2wo6晶体。开发合成的bi2wo6半导体薄膜材料具有超大带隙(3.0ev)，超薄的厚度(5.5nm)，且合成方法经济、简单易行，所得纳米级薄膜厚度可控、晶体质量好，优异的铁电性能、超高的介电常数、易于转移堆叠的自支撑的直立结构，使其在未来的亚三纳米的先进工艺中，为新型铁电存储器、高k栅晶体管、以及大功率半导体器件、紫外光电器件、视网膜光电突触器件的开发提供了一种材料选择。

技术特征：

1.一种化学气相沉积制备二维宽禁带钨酸铋半导体纳米薄膜的方法，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述化学气相沉积在基底上进行；所述基底为云母，化学式为kmg3(alsi3010)f2。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述化学气相沉积步骤中，载气为氩气和微量的氢气混合气体；

4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于：所述化学气相沉积在管式炉中进行。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：原料位于所述管式炉的中心位置；基底位于原料的正上方0.1～2cm的位置。

6.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于：所述方法还包括如下步骤：在所述化学气相沉积步骤之后，将体系自然冷却至室温。

7.权利要求1-6中任一所述方法制备得到的超薄层状bi2wo6半导体纳米薄膜。

8.根据权利要求7所述的超薄层状bi2wo6半导体纳米薄膜，其特征在于：该薄膜物相为层状结构，晶体结构上是由[bi2o2]n2n+和[wo4]n2n-层沿着c轴方向交替堆叠，单层厚度为～0.85nm。

9.根据权利要求7所述的超薄层状bi2wo6半导体纳米薄膜，其特征在于：该薄膜是一类直接带隙的n型半导体，带隙为～3.0ev，厚度在5-200nm之间，在衬底上具有平面结构或者便于转移的自支撑结构，在紫外光照射下，钨酸铋器件电流开关比＞105，暗电流～0.1pa，表现出超长的持续性光电导行为，最高时长达7小时。

10.权利要求7-9任一项所述具有的宽禁带超薄层状bi2wo6半导体薄膜在制备高κ栅晶体管、铁电存储器、光伏、光电感存突触器件中的应用。

技术总结
本发明公开了一种化学气相沉积制备二维宽禁带钨酸铋半导体纳米薄膜的方法。该Bi<subgt;2</subgt;WO<subgt;6</subgt;半导体单晶纳米薄膜的CVD制备方法，包括如下步骤：以WCl<subgt;6</subgt;粉末和Bi<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;粉末为原料，氩气和微量氢气的混合气体为载气，在云母基底上进行化学气相沉积，沉积完毕后即得到所述层状Bi<subgt;2</subgt;WO<subgt;6</subgt;半导体单晶薄膜。该方法经济、简单、易行，所得单晶纳米片不仅厚度可控、晶体质量好，且能够调控晶体的平面生长或者便于转移的自支撑直立生长。二维钨酸铋半导体具备宽禁带、铁电、高介电常数、超薄厚度等优异特性，在微电子领域具有重要价值。

技术研发人员：吴金雄,王兵,何育彧
受保护的技术使用者：南开大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/19