一种载流子迁移率高的二维光电半导体材料及其应用的制作方法

1.本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种载流子迁移率高的二维光电半导体材料及其应用。


背景技术：

2.50年前，gordon moore提出了集成电路特征尺寸随时间按照指数规律缩小的法则，被称为“摩尔定律”。在50年间，半导体行业蓬勃发展，人类社会飞速进入信息时代，同时在半导体工业界也诞生了一大批巨无霸企业，比如intel和qualcomm等等。近来，随着半导体特征尺寸缩小越来越困难，摩尔定律是否已经到达极限成为半导体业界乃至整个社会所关注的问题。在三维架构的情况下，对设备性能至关重要的载流子迁移率将随着尺寸缩小到几纳米而呈指数下降。载流子被限制在原子薄层中的二维材料可能超越硅基电子。因此，设计具有优良载流子迁移率的稳定二维半导体材料是“后摩尔”时代的关键策略之一。
3.到目前为止，已经出现了一些二维材料的原型或代表。例如，石墨烯是一种具有高载流子迁移率(理论上约3
×
105cm2v-1
s-1
)的原子级二维碳材料。然而，它的金属性极大地阻碍了它在场效应器件中的应用。过渡金属卤族化合物(tmdcs)，具有相当大的能带隙(例如，mos2单层的能带隙为1.8ev)，但其应用受限于较低的载流子迁移率(通常在室温下小于100cm2v-1
s-1
)。近年来，磷烯已成为一种良好的二维半导体材料，它具有明显的厚度依赖性能带隙(从块状到单层为0.3～2.0ev)和较高的载流子迁移率(室温下～103cm2v-1
s-1
)，但其在环境下的亚稳性阻碍了其潜在的应用。
4.因此，寻找高迁移率载流子、合适的带隙和良好的稳定性的二维半导体仍是当务之急。


技术实现要素：

5.本发明提供一种载流子迁移率高的二维光电半导体材料及其应用，解决自动目标识别方法中存在的有标签样本受限、测试阶段无法对基础类样本进行分类、分类器鲁棒性弱以及样本类别不均衡时分类准确率低的问题。
6.为解决上述技术问题，本发明提供一种载流子迁移率高的二维光电半导体材料，该半导体材料的化学式为be3b2c3，所述be3b2c3由三个铍原子、两个硼原子和三个碳原子组成单层晶胞结构，每个所述碳原子以平面方式与三个铍原子和两个硼原子结合；其中，所述be3b2c3的晶格常数为
7.一些示例性实施例中，所述be3b2c3的本征直接带隙为1.97ev。
8.一些示例性实施例中，所述be3b2c3的光吸收系数大于等于105cm-1
。
9.一些示例性实施例中，所述be3b2c3的在室温下的载流子迁移率大于等于8
×
105cm2v-1
s-1
。
10.一些示例性实施例中，所述be3b2c3的弹性常数为c
11
＝c
22
＝157.05gpa、c
12
＝c
21
＝29.09gpa。
11.本发明还提供如上述的载流子迁移率高的二维光电半导体材料在微电子元件领域中的应用。
12.本发明提供的技术方案至少具有以下优点：
13.本发明提供一种载流子迁移率高的二维光电半导体材料及其应用。该载流子迁移率高的二维光电半导体材料是一种新的二维半导体材料be3b2c3，具有高鲁棒性、合适的带隙以及极高的载流子迁移率。根据密度函数理论计算和分子动力学模拟证明了该半导体材料优异的结构稳定性和力学性能。通过杂化泛函计算，其本征直接带隙为1.97ev，对可见光具有响应。光吸收系数可达105cm-1
数量级，优于常见的硅、mapbi3等光伏材料。此外，它在室温下的载流子迁移率达到了破纪录的8
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105cm2v-1
s-1
。除了超高的载流子迁移率外，载流子迁移率也表现出各向异性，使其成为“后摩尔”时代杰出的半导体材料和潜在的应用前景。同时，be3b2c3单层的可见响应和高光学吸收系数使其成为未来电子和光伏应用的革命性候选材料。
附图说明
14.一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
15.图1为本发明提供的一种载流子迁移率高的二维光电半导体材料的设计路线图；
16.图2为本发明提供的一种载流子迁移率高的二维光电半导体材料的分子结构示意图；
17.图3为本发明本发明提供的一种载流子迁移率高的二维光电半导体材料的力学性能图；
18.图4为本发明提供的一种载流子迁移率高的二维光电半导体材料的能带结构图；
19.图5为本发明提供的一种载流子迁移率高的二维光电半导体材料的费米速度图。
具体实施方式
20.由背景技术可知，目前现有的编码超表面无法在太赫兹频段实现全极化且幅度-相位-联合可调，无法应对复杂的实际需求。
21.本发明中设计的be3b2c3单层二维材料为六边形结构，优化后的晶格常数为a＝b＝5.25be3b2c3单层二维材料的原胞由3个铍原子、2个硼原子和3个碳原子组成。每个碳原子以完美的平面方式与三个铍原子和两个硼原子结合。其设计路线如下图1所示。我们基于硼六元环提出了其等电子体碳化铍六元环骨架，其设计思路可以参考六方氮化硼，它是利用等电子体理论基于石墨烯设计出来的,但是蜂窝结构的硼烯和碳化铍骨架理论上都是不稳定的，实验上制备出来的实际上是一种褶皱的非蜂窝状结构的相，我们分析了其中原因，石墨烯的稳定性得益于其紧凑的碳原子和sp2轨道杂化——由构成σ键的s、p
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和py轨道a组合而成。最终的pz电子组成了π键。硼烯和碳化铍相比石墨烯少了两个pz电子。因此没有办法形成让整个晶格稳定住的离域大π键。因此我们提出从缺少两个pz电子的平面碳化铍六元环骨架出发，向平面碳化铍六元环骨架中掺杂拥有三个价电子的硼原子，在满足所有六元环中缺少的电子都被填满的情况下，同时引入空位，减少其阳离子之间的空间排斥力，从而实现完美平面的be3b2c3单层二维材料。
22.本发明中设计的be3b2c3单层二维材料为平面六方结构，优化后的晶格常数为a＝b＝需要说明的是，be3b2c3单层二维材料为单层晶胞结构，由3个铍原子、2个硼原子和3个碳原子组成，具体分子结构如下图2所示。
23.首先，在此基础上，通过弹性常数研究了be3b2c3单层二维材料的力学性能，如图3所示。计算得到的弹性常数为c
11
＝c
22
＝157.05gpa，c
12
＝c
21
＝29.09gpa，利用矩形单元进一步计算了be3b2c3单层二维材料的方向相关的杨氏模量、剪切模量和泊松比。可以看出，在0
°
、90
°
、180
°
、270
°
方向上的杨氏模量、剪切模量和泊松比几乎各向同性，其面内刚度高于硅烯(59gpa)和mos2(121gpa)，表明be3b2c3单层具有良好的力学性能。
24.其次，还对be3b2c3单层二维材料的电子性能进行了验证。使用heyd-scuseria-ernzerhof(hse)泛函通过元素权重计算能带结构，如图4所示。be3b2c3单层二维材料具有线性电子色散，直接带隙为1.28ev，价带顶(vbm)和导带底(cbm)均位于γ点。
25.能带结构表现出很强的线性电子带边色散，这通常表明相对较小的有效质量。基于线性带边，最后，计算了be3b2c3单层二维材料的费米速度，计算得到的各向同性费米速度可达2.7
×
105m/s，与石墨烯(vf＝8.2
×
105m/s)相当，表明be3b2c3单层二维材料存在超快载流子传输。
26.综上所述，本发明中设计出的二维半导体材料be3b2c3具有着超高载流子的迁移率、比表面积和机械性能，表明它是一种非常理想的纳米材料，特别是用于晶体管和集成电路等微电子元件。该二维半导体材料be3b2c3具有以下有益效果：
27.1)be3b2c3半导体具有高透光率、优异的导电性和良好的柔韧性，成为最有可能替代ito制备有机发光二极管的候选材料。
28.2)be3b2c3半导体只有一个原子厚度，其独特的结构在电极制造后具有连续的电子传输通道，可以充分发挥其导电优势，可以利用与未来具有良好柔性、高透光率、高性能和低电压工作的电子元器件。
29.3)be3b2c3半导体具有独特的单原子层二维晶体结构，集多种优异特性于一身，如超高的载流子迁移率、电导率、热导率、透光性、强度等，并且具有大比表面、多孔性的特点，因此在储能技术中表现出巨大的应用潜力，具体应用方向有锂离子电池、锂空气电池、锂硫电池、超级电容器、储氢等储能体系。
30.本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本技术的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本技术的精神和范围。任何本领域技术人员，在不脱离本技术的精神和范围内，均可作各自更动与修改，因此本技术的保护范围应当以权利要求限定的范围为准。

技术特征：
1.一种载流子迁移率高的二维光电半导体材料，其特征在于，该半导体材料的化学式为be3b2c3，所述be3b2c3由三个铍原子、两个硼原子和三个碳原子组成单层晶胞结构，每个所述碳原子以平面方式与三个铍原子和两个硼原子结合；其中，所述be3b2c3的晶格常数为2.根据权利要求1所述的载流子迁移率高的二维光电半导体材料，其特征在于，所述be3b2c3的本征直接带隙为1.97ev。3.根据权利要求1所述的载流子迁移率高的二维光电半导体材料，其特征在于，所述be3b2c3的光吸收系数大于等于105cm-1
。4.根据权利要求1所述的载流子迁移率高的二维光电半导体材料，其特征在于，所述be3b2c3的在室温下的载流子迁移率大于等于8
×
105cm2v-1
s-1
。5.根据权利要求1所述的载流子迁移率高的二维光电半导体材料，其特征在于，所述be3b2c3的弹性常数为c
11
＝c
22
＝157.05gpa、c
12
＝c
21
＝29.09gpa。6.如权利要求1至5中任一项所述的载流子迁移率高的二维光电半导体材料在微电子元件领域中的应用。

技术总结
本发明涉及半导体材料技术领域，特别涉及一种载流子迁移率高的二维光电半导体材料及其应用。该半导体材料的化学式为Be3B2C3，所述Be3B2C3的单层晶胞由三个铍原子、两个硼原子和三个碳原子组成，每个所述碳原子以平面方式与三个铍原子和两个硼原子结合；其中，所述Be3B2C3的晶格常数为该载流子迁移率高的二维光电半导体材料是一种新的二维半导体材料Be3B2C3，具有高鲁棒性、合适的带隙以及极高的载流子迁移率。通过杂化泛函计算，其本征直接带隙为1.97eV，对可见光具有响应。光吸收系数可达105cm-1


技术研发人员：王晓 杨晓新 李江宇
受保护的技术使用者：深圳先进技术研究院
技术研发日：2022.11.24
技术公布日：2023/9/22