CN115551801B 种子层、包括所述种子层的异质结构体和使用所述种子层形成材料层的方法 （新加坡国立大学）

2022.11.08PCT/SG2021/0501182021.03.09WO2021/183050EN2021.09.16propertiesoffree-standingmWon-JaeJooetal..RealcontinuousZachariasencarbonmonolayer.2-5.propertiesoffree-standingmWon-JaeJooetal..RealcontinuousZachariasencarbonmonolayer.2-5.描述了用于诱导成核以形成材料层(106)的包括具有如下无序原子结构的二维(2D)单层无用于经由范德华(vdW)相互作用将吸附原子结合至种子层(102)的表面以形成所述材料层的电势小上大于周围的热能以将吸附原子俘获在所述子层的方法、包括种子层(102)100、用于形成包括所述种子层的所述异质结构体的方法(300)、包括所述异质结构体的器件和增强吸附原子和所述种子层的表面之间的vdW相2并且在三维(3D)空间中导致2D单层无定形材料的层的原子重排以产生局域电子态以形成用于经由范德华(vdW)相互作用将吸附原子结合至所述种子层的表面以形成所述材料层的2.权利要求1的种子层，其中所述种子层在550nm-8004.权利要求1或权利要求2的种子层，其中所述种子层进一步形成于所述衬底上的种子层，所述种子层包括具有如下无序原子结构的二(3D)空间中导致2D单层无定形材料的层的原子重排以产生局域电子态以形成用于经由范德华(vdW)相互作用将吸附原子结合至所述种子层的表面的电势阱，其中所述电势阱各自中2D单层无定形材料的层包括均质的2D单材料层是通过经由范德华(vdW)相互作用将所述材料的吸附原子结合至所述种子层的表面11.权利要求9的异质结构体，其中所述材料层包括第III-V族半导体材料的一个或多12.权利要求11的异质结构体，其中所述第III-V族半导体材料包括如下之一：GaAs、13.权利要求9的异质结构体，其中所述材料层包括第II-VI族半导体材料的一个或多14.权利要求13的异质结构体，其中所述第II-VI族半导体材料包括如下之一：CdTe、3层和材料层之间的vdW相互作用以及远程调节衬底和吸附原子之间的相互作用以在生长期在所述衬底上形成种子层，所述种子层包括具有如下无序原子结定形材料的层，该无序原子结构产生2D单层无定形材料的层的应变的2D晶格并且在三维(3D)空间中导致2D单层无定形材料的层的原子重排以产生局域电子态以形成用于经由范德华(vdW)相互作用将吸附原子结合至所述种子层的表面的电势阱，其中所述电势阱各自通过经由范德华(vdW)相互作用将所述材料的吸附原子结合至所述种子层的表面而在20.权利要求19的方法，进一步包括改变2D单层无定形材料的层的无序原子结构以调节所述材料的吸附原子和所述种子层的表面之间的vdW相互调节种子层和材料层之间的vdW相互作用以及远程调节衬底和吸附原子之间的相互作用以将所述种子层从所述衬底脱离以形成包括所述种子层和所述材料层23.权利要求19或权利要求20的方法，其中在所述衬底上形成所述种子层包括使用激光辅助化学气相沉积(LCVD)在所述衬底上生25.用于增强吸附原子和种子层表面之间的范德华(vdW)相互作用以在所述种子层上在所述种子层中形成无序原子结构，所述种子层的所述无序变的2D晶格并且在三维(3D)空间中导致种子层的原子重排以产生局域电子态以形成用于经由vdW相互作用将吸附原子结合至所述种子层的表面以形成所述材料层的电势阱，其中26.权利要求25的方法，其中所述种子层包括均质的2D单层无定形碳的两个或更多个4层和材料层之间的vdW相互作用以及远程调节衬底和吸附原子之间的相互作用以在生长期5子器件例如发光二极管、红外(IR)传感器、光电探测器和太阳能电池通常涉及需要将第的出色的光电子性质，以及Si与互补金属氧化物半导体(CMOS)技术的相容性和经济可行的是，结晶性2D材料典型地在其表面上缺乏悬空键(danglingbond)并且因此提供非常低[0005]因此期望提供解决前述问题和/或提供有用替代方案的种子层、包括所述种子层容的背景技术考虑的后续详细描述以及所附权利要求，其它期望的特征和特性将变得明6述种子层的表面之间的范德华(vdW)相成用于经由范德华(vdW)相互作用将吸附原子结合至所述种子层的表面以形成所述材料层述无序原子结构产生了多个局域电子态以形成在经由vdW相互作用生长所述材料层期间充的表面之间更强的相互作用和吸附原子在所述种子层的表面上更高的成核密度(例如当与层之间的vdW相互作用，因此所述种子层起到用于容许在任何衬底上生长任何材料层的通[0012]所述种子层可包括沉积在所述2D单层无定形材料的层上的2D单层无定形材料的的二维(2D)单层无定形材料的层：其适合于产生多个局域电子态以形成用于经由范德华(vdW)相互作用将吸附原子结合至所述种子层的表面以形成所述材料层的多个电势阱，其辅助CVD的使用容许在感兴趣的衬底上直接生长所述种子层并且因此其绕过了当所述种子层或感兴趣的材料仅能够生长于特定基础衬底上时所需要的通常实践的耗时的转移方法。层的更清洁的表面来用于后续生长所述材料层，因为所述材料层的生长可在相同的CVD或7是如果基础衬底的材料具有低的热稳定性(例如在300℃或400℃以下的温度下热稳定)的个局域电子态以形成用于经由范德华(vdW)相互作用将吸附原子结合至所述种子层的表面德华(vdW)相互作用将所述材料的吸附原子结合至所述种子层的合于产生多个局域电子态以形成用于经由范德华(vdW)相互作用将吸附原子结合至所述种的热能以将吸附原子俘获在所述种子层的表面上；和通过经由范德华(vdW)相互作用将所[0029]所述方法可包括改变所述2D单层无定形材料的层的无序原子结构以调节所述材料的吸附原子和所述种子层的表面之间的vdW相互作用述衬底脱离以形成包括所述种子层和所述材料层[0031]在所述衬底上形成所述种子层可包括使用激光辅助化学气相沉积(LCVD)在所述8℃-400℃或300℃-400℃。在一些实施方式中，20℃-300℃或20℃-400℃的温[0033]根据第六方面，提供用于增强吸附原子和种子层的表面之间的范德华(vdW)相互生多个局域电子态以形成用于经由vdW相互作用将吸附原子结合至所述种子层的表面以形多个局域电子态以形成在经由vdW相互作用生长所述材料层期间充当用于对吸附原子进行构还可被从完全无定形相调整为纳米结晶相以调节下伏衬底和所述材料层之间的相互作述材料层之间更强的vdW相互作用容许所生长的材料层从下伏衬底脱离以产生自支撑膜，9[0044]图9显示用于图8的理论模拟的模型，其上叠加有波函数的模平方以显示MAC的原[0046]图11A和11B显示根据实施方式的具有两种不同结构变化的种子层的扫描透射电子显微镜法(STEM)图像，其中图11A显示MAC膜的STEM图像并且图11B显示纳米结晶性石墨[0047]图12A和12B显示根据实施方式的在约700℃下的温度处理之前和之后的MAC的拉曼光谱，其中图12A显示在该温度处理之前的MAC的拉曼光谱并且图12B显示在该温度处理[0049]图14显示根据实施方式的包括生长于在衬底上的种子层上的二维(2D)材料的异[0050]图15显示根据实施方式的包括生长于在衬底上的种子层上的三维(3D)材料的异其中图16A显示生长于二氧化硅(SiO2)上的MoS2的光学图像，图16B显示生长于在SiO2上的[0052]图17A和17B显示根据实施方式的使用蓝宝石衬底生长的MoS2的扫描电子显微镜法(SEM)图像，其中图17A显示直接生长于蓝宝石衬底上的和在蓝宝石衬底上的MAC单层上的MoS2的SEM图像，并且图17B显示生长于在蓝宝石衬底上的MAC单层上的MoS2的放大SEM图[0053]图18A和18B显示根据实施方式的使用蓝宝石衬底生长的MoS2的扫描电子显微镜法(SEM)图像，其中图18A显示直接生长于蓝宝石衬底上的和在蓝宝石衬底上的MAC少层上的MoS2的SEM图像，并且图18B显示生长于在蓝宝石衬底上的MAC少层上的MoS2的放大SEM图[0054]图19显示根据实施方式的生长于在SiO2衬底上的MAC单层上的In2Se3的原子力显层具有对于在经由vdW相互作用生长所述材料层期间对吸附原子进行吸附而言的高能量位结构产生的多个局域电子态形成的这些电势阱提供了吸附原子和所述种子层的表面之间无序原子结构还可被从完全无定形相调整为纳米结晶相以调节下伏衬底和所述材料层之的表面和所述材料层之间强的vdW相互作用容许将所生长的材料层从下伏衬底脱离以产生[0060]图1显示根据实施方式的异质结构体100的示意性结构。异质结构体100包括形成以下关于图14和15对这进行进一步描述。种子层102包括具有无序原子结构的二维(2D)单层无定形材料的层。该无序原子结构适合于产生多个局域电子态以形成用于经由范德华(vdW)相互作用将吸附原子结合至种子层102的表面以形成材料层106的多个电势阱。包括无序原子结构：其产生多个局域电子态以形成用于增强吸附原子和种子层102的表面之间子层102的表面上更高的表面润湿性(例如当与石墨烯或其它结晶性2D材料相比时)，从而实现材料层106的均匀的且平面的生长。这使得MAC成为作为用于外延和/或非外延生长各碳(C)原子的以二维(2D)形式并且没有任何晶界的无序原子排列与连续网络(均质的)。这与包括以晶界分隔的有序晶畴的常规多晶石墨烯(非均质的)形成对照。由于在MAC种子层气相沉积(LCVD)工艺以烃作为前体(例期间腔室内的气体压力始终被控制为2x10-2毫巴。该气体是在以5W功率操作的等离子体发度的温度下)沉积在衬底表面上时，来自激光的能量使前体气体的键断裂并且为后续的2D150℃的温度)可使得可实现在用于OLED和柔性电子设备的聚合物衬底上的直接MAC生长。上后续生长材料层106受MAC种子层的表面和吸收的吸附原子的vdW相互作用所支配，从而[0073]在步骤404中，将种子层102从衬底104脱离以形成自支撑膜。这是通过如下实现子层102和材料层106的自支撑膜分离而用于例如柔性和透明光电子器件中，而衬底104可的G峰708(在约1600cm-1处)和D峰710(在约1350cm-1处)。D和G峰的加宽通常指示从纳米结述位置中MAC膜802的结构处于具有最低内能的其最稳定构型。如图800中所示，所模拟的的吸附原子的强相互作用，从而导致更高的对于均匀且平面的2D和/或3D材料膜形成而言的对于vdW外延而言在2D表面上3D材料膜的低能导致对于MAC种子层上的所吸附的吸附原子而言高数量的成核位点。高数量的成核位点面材料层的后续形成的均匀性并且防止或减少了在所述材料层的该后续生长期间岛和/或[0082]图9显示用于图8的理论模拟的模型900。模型900叠加有波函数的模平方以显示MAC802的原子结构中的局域电子分布9[0083]如图9的模型900中所示，MAC膜是在其结构中具有六边形和非六边形环的混合物施方式提供在550nm或更高的波长处具有等于或大于98％的光学透明度的MAC。所公开的1000证明，本实施方式的MAC1002与石墨烯相比在约550nm或更高的波长处呈现出更高的在更高的波长处光学透明度增加)使得MAC对于用于形成用于透明器件的后续活性半导体膜的在透明衬底(例如玻璃或合适聚合物)上的种子层而言是理想的候[0086]图11A和11B显示根据实施方式的具有两种不同结构变化的种子层的扫描透射电性石墨烯膜的表面上的污染物有关并且与其原子结构的结晶性([0087]取决于合成条件，在碳基种子层内的从完全无定形层(例如MAC)至纳米结晶性围从在衬底上的单层至多层堆叠体的种子层。此类结构变化可调节种子层和材料层(或外[0088]调节碳基种子层的结晶性(度)的一种实例可通过使用与关于步骤302所描述的类为了形成如图11B中所示的纳米结晶性碳膜，可将铜箔的温度设置在500℃-600℃的范围[0089]图12A和12B显示根据实施方式的在约700℃下的温度处理之前和之后的MAC的拉在MAC的结晶度或晶粒尺寸方面没有可观察到的变化。因此MAC在～700℃的高温下是热稳的TEM图像1300具有10×10nm2的尺寸，其中如图13中所示的簇1302是覆盖MAC的一些区域[0093]图14显示根据实施方式的包括生长于在衬底1406上的种子层1404上的二维(2D)材料层1402的异质结构体1400的示意图。异质结构体1400具有与如图1中所示的异质结构体100类似的结构并且可使用图3的方法300形成[0094]种子层1404包括直接生长于衬底1406上的单层无定形2D材料(例如在本实施方式底1406上的种子层1404用于利用2D材料层1402的吸附原子和种子层1404的表面之间强的vdW相互作用来稳定2D材料层1402的后续生长。这有利地有助于规避为了稳定生长2D材料[0095]虽然图14显示单层无定形碳(MAC)作为种子层1404，但是通过直接生长或转移方积(MOCVD)、热化学气相沉积(TCVD)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、原子层沉积[0096]图15显示根据实施方式的包括生长于在衬底1506上的种子层1504上的三维(3D)材料层1502的异质结构体1500的结构。异质结构体1500具有与如图1中所示的异质结构体100类似的结构并且可使用图3的方法300形成或制造。异质结构体1500和异质结构体1400于例如发光二极管(LED)、红外(IR)传感器、光电探测器和其它光电子器件的应用的活性以上讨论的，通过vdW外延实现均匀的平面材料层由于在外延表面上低的润湿性而是挑战延生长II-VI半导体的3D平面膜的层1502。第II-VI族半导体材料3D膜的实例包括CdTe、图4和5所描述的方法400将所沉积的氧化物膜层1502剥落以获得自[0104]图16A、16B和16C显示根据实施方式的生长于三种不同表面上的MoS2的光学图像显示生长于在SiO2上的MAC单层上的MoS2的光学图像1610，并且图16C显示生长于在SiO2上MAC单层和MAC少层)上