二维半导体材料高效应变柔性衬底及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种二维半导体材料高效应变柔性衬底及其制备方法。所述方法先配置聚乙烯吡咯烷酮和聚乙烯醇溶液，并机械剥离制备薄层二维半导体材料，然后依次使用聚乙烯吡咯烷酮溶液和聚乙烯醇溶液对薄层二维半导体材料进行旋涂，最后使用胶水将柔性基底和旋涂后的SiO2/Si基片粘贴在一起，静置后将柔性基底与SiO2/Si基片分离，得到二维半导体材料高效应变柔性衬底。本发明专利技术实现了衬底和二维半导体材料间的紧密粘连，避免在施加应变的过程中样品发生滑移，将使用传统方法施加的应变上限由2％提高到7％。2％提高到7％。2％提高到7％。

【技术实现步骤摘要】
二维半导体材料高效应变柔性衬底及其制备方法


[0001]本专利技术属于应变调控二维半导体材料能带结构与光电性质的领域，涉及一种二维半导体材料高效应变柔性衬底及其制备方法。

技术介绍

[0002]机械应变可以调控材料的能带结构，使得材料的光、声、热、力、电学等性质随其能带结构的改变发生显著变化，这一工艺目前已经在传统半导体加工和制造领域得到广泛应用。尤其是在硅基芯片的制造中，应变硅技术已成为不可或缺的关键技术之一，在增加载流子迁移率、提升晶体管性能等方面发挥积极作用。但是对于三维材料来说，对其施加较大程度的应变以实现更大幅度的性能调控是比较困难的，这限制了应变技术在半导体材料领域的拓展。
[0003]二维材料独特的原子级厚度和柔性特征，使其可以承受较之三维体相材料更大程度的应变，这就使得运用应变手段调控二维材料电子性质的策略变得极为有效，有利于高性能二维材料半导体器件的构筑与发展。
[0004]针对二维材料的应变工程技术，通常是指一种利用柔性衬底的弯曲使得黏附于衬底上表面的二维材料产生拉伸或压缩形变的技术，不同于通过合金化等方法使材料产生应变的传统应变硅技术(IEEE Trans.Electron Devices,2004,51,1790
‑
1797；IEEE Electron Device Lett.,2004,25,191
‑
193)，二维材料应变技术具有操作便捷、工艺简单、对实验设备要求低等优点。以新兴的柔性二维半导体材料硒化铟(InSe)为例：通常，薄层硒化铟材料是通过机械剥离法制备出来的，传统的应变施加方法常选用聚二甲基硅氧烷([C2H6OSi]n
，polydimethylsiloxane，PDMS)作为柔性基底。若直接借助PDMS媒介，从机械剥离后的胶带上撕取薄层InSe，此时，薄层InSe将依靠微弱的范德瓦尔斯作用附着在PDMS上，随后便可以通过弯曲或挤压PDMS基底以达到拉伸或压缩InSe的目的。但是，由于范德瓦尔斯相互作用是一种微弱的分子间作用力，通常比共价键合等分子内作用力弱得多，并且这种方法转移的样品，在其边缘处与柔性衬底之间缺乏相互作用，因此，样品与衬底之间的连接并不紧密。2020年，Zhao Qinghua等人，总结了使用传统方法对二维材料施加应变所达到的实验极限(Adv.Sci.,2020,7,2001645)。
[0005]常见的针对二维材料施加应变的方法，主要有热膨胀法、探针压痕法和机械弯曲法等。其中，热膨胀法，是将材料置于不同温度下，材料随温度变化发生晶格膨胀或收缩，由此研究晶体结构变化对于材料性能的影响。探针压痕法，则是将材料置于原子力显微镜测试系统，探针下压，给材料施加力，材料发生形变，由此研究材料在应变情形下的性质变化。上述两种方法对于二维材料施加的应变较为均匀可控，但是仍然存在仪器设备要求高、运行环境严苛、器件集成兼容性差等缺点。机械弯曲法具有操作简单方便、仪器设备要求低、应用前景好等优点，因此，机械弯曲法被寄予厚望，并得到了广泛研究。
[0006]现有的机械弯曲法，需要先通过机械剥离步骤在胶带上解理出二维薄层材料，比如，少层InSe样品。随后，使用PDMS柔性衬底直接撕取胶带上的InSe，此时样品将依靠范德
瓦尔斯作用附着于PDMS柔性衬底上，通过弯曲PDMS柔性衬底，即可对样品施加应变。但是，由于范德瓦尔斯作用较弱，并且在边缘位置样品和柔性衬底之间缺乏相互作用，因此，会存在实际施加的应变值较低、应变状态下容易发生样品/衬底的滑移等问题。
[0007]综上所述，目前使用的应变工程技术对二维材料进行性能调控的方法仍存在应变值偏低(比如，针对InSe施加应变值多小于2％)、易发生样品/衬底滑移等问题。如何实现在无滑移前提下，对二维材料施加更大程度的应变，仍然是应变工程调控二维材料性质以及二维材料光电器件性能提升的研究热点和技术难点。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的在于提供一种二维半导体材料高效应变柔性衬底及其制备方法。该方法通过旋涂转移，能够实现二维半导体材料高效应变的调控。
[0009]实现本专利技术目的的技术方案如下：
[0010]二维半导体材料高效应变柔性衬底的制备方法，包括以下步骤：
[0011]步骤1，配置聚乙烯吡咯烷酮([C6H9ON]n
，polyvinyl pyrrolidone，PVP)和聚乙烯醇([C2H4O]n
，polyvinyl alcohol，PVA)溶液：将聚乙烯吡咯烷酮粉末、N
‑
乙烯基吡咯烷酮(C6H9ON，N
‑
vinypyrrolidone，NVP)、去离子水和无水乙醇混合，加热搅拌至完全溶解，形成聚乙烯吡咯烷酮溶液；将聚乙烯醇粉末溶于去离子水中，加热搅拌至完全溶解，形成聚乙烯醇溶液；
[0012]步骤2，机械剥离制备薄层二维半导体材料，使用SiO2/Si基片撕取剥离完毕的薄层二维半导体材料；
[0013]步骤3，旋涂PVP溶液：使用聚乙烯吡咯烷酮溶液对薄层二维半导体材料进行旋涂，将旋涂后的基片加热，加速溶剂蒸发，固化薄膜，自然冷却至室温后，重复旋涂步骤；
[0014]步骤4，旋涂PVA溶液：使用聚乙烯醇溶液对步骤3处理后的SiO2/Si基片进行旋涂，将旋涂后的基片加热，加速溶剂蒸发，固化薄膜，自然冷却至室温；
[0015]步骤5，制备柔性衬底：使用胶水将柔性基底和步骤4旋涂后的SiO2/Si基片粘贴在一起，静置24小时以上，将柔性基底与SiO2/Si基片分离，得到PVP/PVA/2D Semiconductor Materials薄膜，即二维半导体材料高效应变柔性衬底。
[0016]优选地，步骤1中，每10mL聚乙烯吡咯烷酮溶液由0.75克聚乙烯吡咯烷酮粉末、1.5毫升N
‑
乙烯基吡咯烷酮、0.75毫升去离子水和适量无水乙醇组成。
[0017]优选地，步骤1中，每10mL聚乙烯醇溶液置由0.985克聚乙烯醇粉末和10毫升去离子水组成。
[0018]优选地，步骤1中，加热温度为90
±
10℃，搅拌时间不少于12小时。
[0019]优选地，步骤2中，机械剥离具体的步骤为：将块体二维半导体材料放置于机械剥离专用的胶带上，使用两片胶带反复对粘撕取，直到样品达到理想的厚度，随后，使用SiO2/Si基片撕取剥离完毕的样品。
[0020]本专利技术步骤2中，所述的二维半导体材料为本领域常规使用的可用于施加应变的二维半导体材料，例如硒化铟、二硫化钼、二硫化钨、二硒化钨等。
[0021]优选地，步骤3和4中，所述的旋涂速率为1600
±
100rpm(转每分)，旋涂时间为50～60秒。
[0022]优选地，步骤3和4中，所述的加热温度为80
±
5℃，加热时间为50～60秒。
[0023]优选地，步骤5中，所述胶水为硅胶专用速干胶5562。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.二维半导体材料高效应变柔性衬底的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，配置聚乙烯吡咯烷酮和聚乙烯醇溶液：将聚乙烯吡咯烷酮粉末、N
‑
乙烯基吡咯烷酮、去离子水和无水乙醇混合，加热搅拌至完全溶解，形成聚乙烯吡咯烷酮溶液；将聚乙烯醇粉末溶于去离子水中，加热搅拌至完全溶解，形成聚乙烯醇溶液；步骤2，机械剥离制备薄层二维半导体材料，使用SiO2/Si基片撕取剥离完毕的薄层二维半导体材料；步骤3，旋涂PVP溶液：使用聚乙烯吡咯烷酮溶液对薄层二维半导体材料进行旋涂，将旋涂后的基片加热，加速溶剂蒸发，固化薄膜，自然冷却至室温后，重复旋涂步骤；步骤4，旋涂PVA溶液：使用聚乙烯醇溶液对步骤3处理后的SiO2/Si基片进行旋涂，将旋涂后的基片加热，加速溶剂蒸发，固化薄膜，自然冷却至室温；步骤5，制备柔性衬底：使用胶水将柔性基底和步骤4旋涂后的SiO2/Si基片粘贴在一起，静置24小时以上，将柔性基底与SiO2/Si基片分离，得到二维半导体材料高效应变柔性衬底。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中，每10mL聚乙烯吡咯烷酮溶液由0.75克聚乙烯吡咯烷酮粉末、1.5毫升N
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乙烯基吡咯烷酮、0.75毫升去离子水和适量无水乙醇组成；每10mL聚乙...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘明岩，万逸，阚二军，赵益彬，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：