本發(fā)明涉及電子和光電子器件技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，涉及一種基于二維層狀材料的器件及制備方法。

背景技術(shù)：

二維層狀材料（例如：石墨烯、二硫化鉬、二硒化鎢等）是一類新型的場致電子發(fā)射材料。典型的少層二維層狀材料（原子層數(shù)為2-10）的厚度小于10nm，其銳利的邊緣具有強電場增強效應(yīng)，有利于獲得低壓場致電子發(fā)射。因此，已報道的文獻多數(shù)利用二維層狀材料的銳利邊緣實現(xiàn)低壓場致電子發(fā)射，并作為電子源進行了應(yīng)用嘗試。然而，二維層狀材料邊緣的晶體結(jié)構(gòu)和電子特性的一致性難以控制，少層直立的二維層狀材料剛性較差，形貌差異較大，不利于微納真空電子器件的制作，特別限制了其在微納真空二極管、微納真空三極管中的應(yīng)用嘗試。

如果能有效利用二維層狀材料的平面端面實現(xiàn)低壓場致電子發(fā)射，將有可能解決上述難題，促進二維層狀材料在微納真空電子器件中的應(yīng)用。但是，二維層狀材料的平面端面不具備明顯的電場增強效應(yīng)；大部分二維層狀材料具有較高的功函數(shù)或電子親和勢，例如石墨烯的功函數(shù)為4.5ev、二硫化鉬的電子親和勢為4.2ev、二硒化鎢的電子親和勢為4.06ev、黑磷的電子親和勢為4.4ev。上述問題造成二維層狀材料平面端面場致電子發(fā)射效率低，難以實現(xiàn)低壓驅(qū)動。有研究者提出通過內(nèi)電場增強二維層狀材料電子的面內(nèi)散射，發(fā)生聲子輔助場發(fā)射；或通過焦耳熱增加二維層狀材料面內(nèi)熱電子濃度，誘導(dǎo)熱電子發(fā)射。上述兩種方式均有效地降低了二維層狀材料平面端面的場致電子發(fā)射開啟電壓；然而，內(nèi)電場和焦耳熱的引入使器件能耗增加。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在解決現(xiàn)有技術(shù)中二維層狀材料平面端面場致電子發(fā)射特性差，難以在微納器件中應(yīng)用的問題，提供一種能實現(xiàn)二維層狀材料平面端面低壓場致電子發(fā)射的器件。

本發(fā)明的另一目是提供上述基于二維層狀材料的器件的制備方法。

本發(fā)明的上述目的通過以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)：

一種基于二維層狀材料的器件，器件由電極一和電極二構(gòu)成；所述電極一為二維層狀材料；所述電極一由輔助部件支撐，懸空擺放；所述電極一和電極二頂端之間形成縫隙一；所述電極二頂端面積小于電極一懸空部分的面積；所述電極二的側(cè)邊與輔助部件的側(cè)邊之間形成縫隙二；器件工作時電極一和電極二之間施加電壓。

所述電極一與電極二頂端之間的縫隙一的寬度為1-100nm；所述電極一懸空部分的面積為電極二頂端面積的3倍以上；所述電極二的側(cè)邊與輔助部件的側(cè)邊之間的縫隙二的寬度為10-5000nm。

基于二維層狀材料的器件應(yīng)用于低壓驅(qū)動的微納真空三極管時，所述電極二施加的電壓高于所述電極一施加的電壓；所述電極二頂端面積小于電極一懸空部分的面積，所述電極二的側(cè)邊與輔助部件的側(cè)邊之間形成縫隙二，使電極二正對的二維層狀材料電極一局域位置中電子能級釘扎效應(yīng)弱化；在電極二電場誘導(dǎo)下，電極一中的電子填充到較高的能級并產(chǎn)生場致電子發(fā)射；所述電極一與電極二頂端之間的納米縫隙有助于降低器件驅(qū)動電壓，實現(xiàn)所述器件在低壓驅(qū)動的微納真空三極管中的應(yīng)用。

基于二維層狀材料的器件應(yīng)用于光電探測器時，所述電極二施加的電壓高于所述電極一施加的電壓；所述電極二頂端面積小于電極一懸空部分的面積，所述電極二的側(cè)邊與輔助部件的側(cè)邊之間形成縫隙二，使電極二正對的二維層狀材料電極一局域位置中電子能級釘扎效應(yīng)弱化；在電極二電場誘導(dǎo)下，電極一中的電子填充到較高的能級；激光的輻照使位于高能級的電子獲得足夠的能量越過表面勢壘發(fā)射到真空中，發(fā)射的電子被電極二收集形成光電流，實現(xiàn)對光信號的探測；由于位于高能級的電子發(fā)射所需的光子能量較小，使二維層狀材料電極一吸收光譜的截止波長變長，響應(yīng)波長范圍變寬。

基于二維層狀材料的器件應(yīng)用于低真空條件下工作的微納真空三極管或光電探測器時，由于電極一與電極二頂端之間的縫隙一為1-100nm，與電子在大氣中的平均自由程相當(dāng)，器件工作過程中氣體分子與電子發(fā)生碰撞電離導(dǎo)致器件擊穿的概率較小，使器件可以在低真空條件下工作。

當(dāng)所述電極二施加的電壓高于電極一施加的電壓時，可誘導(dǎo)二維層狀材料電極一的平面端面發(fā)射電子。

優(yōu)選地，所述二維層狀材料電極一為石墨烯、二硫化鉬、二硒化鎢、黑磷、氧化石墨烯、硅烯、二硫化鎢、二硫化鈦、二硒化鉬、碲化鉍、碲化銻、氮化硼中的一種或多種的組合體。

優(yōu)選地，所述電極二為金屬材料或半導(dǎo)體材料；所述構(gòu)成電極二的金屬材料為鉬、鉻、銅、金、鈦、鋁、鎳中的一種或多種的合金；所述構(gòu)成電極二的半導(dǎo)體材料為硅、碳化硅、鍺、硼、金剛石、氧化鋅、氧化鈦、氧化銅、氧化鎢、氮化鋁、氮化鎵中的一種或多種的組合體。

優(yōu)選地，所述輔助部件為金屬材料或半導(dǎo)體材料或絕緣材料；所述構(gòu)成輔助部件的金屬材料為鉬、鉻、銅、金、鈦、鋁、鎳中的一種或多種的合金；所述構(gòu)成輔助部件的半導(dǎo)體材料為硅、碳化硅、鍺、硼、金剛石、氧化鋅、氧化鈦、氧化銅、氧化鎢、氮化鋁、氮化鎵中的一種或多種的組合體；所述構(gòu)成輔助部件的絕緣材料為二氧化硅、氮化硅、氧化鋁、陶瓷、云母、玻璃中的一種或多種的組合體。

一種基于二維層狀材料的器件的制備方法，包括以下步驟：

si.制作電極二；所述電極二頂部的曲率半徑或半徑為1-25nm；

sii.在所述電極二外側(cè)集成對電極一起支撐作用的輔助部件，得到第一組合體；所述輔助部件的上表面與電極二頂端的高度差為1-100nm；所述電極二的側(cè)邊與輔助部件的側(cè)邊之間的縫隙二的寬度為10-5000nm；

siii.制備二維層狀材料，并在所述二維層狀材料的上表面粘附膠帶，得到二維層狀材料——膠帶組合體；

siv.將所述二維層狀材料——膠帶組合體與所述第一組合體中輔助部件的頂部相連接，使二維層狀材料脫離膠帶，二維層狀材料架設(shè)于輔助部件上并懸空于電極二上方，所得組合體為所述器件。

在上述步驟sii中，通過調(diào)整所述輔助部件的上表面與電極二頂端的高度差，調(diào)節(jié)范圍為1-100nm；從而調(diào)整所述器件中電極一與電極二頂端之間的距離，調(diào)節(jié)范圍為1-100nm。

在上述步驟siii中，所述二維層狀材料通過機械剝離、液相剝離或化學(xué)氣相沉積的方法制備而成；在所述二維層狀材料——膠帶組合體中，所述二維層狀材料的厚度為0.3-50nm。

上述步驟siii通過以下方法進行：

s1.將所述二維層狀材料放置于第一襯底上；

s2.在s1所得二維層狀材料上表面涂覆聚苯乙烯溶液，自然風(fēng)干，得到二維層狀材料——聚苯乙烯組合體；

s3.在s2所得二維層狀材料——聚苯乙烯組合體的聚苯乙烯層上粘附帶孔洞的膠帶，利用膠帶將二維層狀材料——聚苯乙烯組合體脫離第一襯底，得到所述二維層狀材料——膠帶組合體。

在上述步驟s1中，所述構(gòu)成第一襯底的材料為硅、二氧化硅、氮化硅、氧化鋁、石英、銅、鐵、不銹鋼中的一種或多種的組合體。

上述步驟siv通過以下方法進行：

s11.在s3所得二維層狀材料——膠帶組合體膠帶的孔洞中粘附聚二甲基硅氧烷薄膜，撕去膠帶，得到第一組合薄片；所述孔洞的尺寸與粘附的聚二甲基硅氧烷薄膜的面積相當(dāng)；

s12.在s11所得第一組合薄片聚二甲基硅氧烷薄膜的上表面粘附載玻片，得到第二組合薄片；將所述第二組合薄片的二維層狀材料與所述第一組合體中支撐電極一的輔助部件頂部相連接，得到第二組合體；

s13.將s12所得第二組合體加熱，脫離載玻片和聚二甲基硅氧烷薄膜，并去除聚苯乙烯，得到的組合體為所述器件。

優(yōu)選地，在所述步驟s13中，所述聚苯乙烯通過有機溶劑溶解、退火或等離子體刻蝕的方法去除。

當(dāng)所述聚苯乙烯通過有機溶劑溶解時，所述有機溶劑為甲苯、乙醇、乙酸或丙酮。

當(dāng)所述聚苯乙烯通過退火去除時，退火在壓強10^-4pa，溫度450℃的條件下進行，退火時間為90-120min。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，上述技術(shù)方案具有以下有益效果：

該器件采用了二維層狀材料作為電極一，通過懸空擺放電極一，設(shè)置電極一與電極二頂端之間的間隔，限定電極一懸空部分的面積與電極二頂端面積之比，以及設(shè)置電極二側(cè)邊與輔助部件側(cè)邊之間的間隔，改善了器件中二維層狀材料的場致電子發(fā)射特性，實現(xiàn)器件中二維層狀材料平面端面低壓場致電子發(fā)射；該器件結(jié)構(gòu)簡單，可應(yīng)用于低壓驅(qū)動、低真空條件下工作的微納真空三極管或光電探測器。

附圖說明

圖1為本發(fā)明技術(shù)方案所述基于二維層狀材料的器件的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明技術(shù)方案實施例1所述的器件的掃描電子顯微形貌圖；

圖3為本發(fā)明技術(shù)方案實施例1所述的器件的制備流程圖；

圖4為本發(fā)明技術(shù)方案實施例1所述的器件的場致電子發(fā)射電流-電壓特性曲線；

圖5為本發(fā)明技術(shù)方案實施例2所述的器件在325nm激光輻照條件下的場致電子發(fā)射電流-電壓特性曲線a和無激光輻照下場致電子發(fā)射電流-電壓特性曲線b的對比圖；

其中，1-電極一，2-輔助部件，3-縫隙一，4-縫隙二，5-電極二，6-絕緣層，7-硅導(dǎo)電襯底，8-硅襯底，9-聚苯乙烯層，10-膠帶，11-孔洞，12-聚二甲基硅氧烷薄膜，13-載玻片，14-快速加熱板。

具體實施方式

附圖僅用于示例性說明，不能理解為對本專利的限制；為了更好說明本實施例，附圖某些部件會有省略、放大或縮小，并不代表實際器件的尺寸；對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，附圖中某些公知結(jié)構(gòu)及其說明可能省略是可以理解的。附圖中描述位置關(guān)系僅用于示例性說明，不能理解為對本專利的限制。

實施例1

如圖1、圖2和圖3（ix）展示了一種基于二維層狀材料的器件，包括電極一1和電極二5；所述電極一1為二維層狀材料二硫化鉬；所述電極一1由輔助部件2支撐，懸空擺放，所述輔助部件2由鉻材料制得；所述輔助部件2由絕緣層6支撐；所述電極二5為硅尖錐，與硅導(dǎo)電襯底7一體集成，其頂端曲率半徑為1-25nm，在本實施例中具體為10nm；所述電極一1懸空部分的面積為所述電極二5頂端面積的3倍以上，在本實施例中具體為10⁴倍；所述電極二5側(cè)邊與輔助部件2側(cè)邊之間形成的縫隙二4寬度為10-5000nm，在本實施例中具體為1000nm；所述電極一1和電極二2之間形成縫隙一3，縫隙一3的寬度為1-100nm，在本實施例中具體為30nm；器件工作時電極一1和硅尖錐電極二2之間施加電壓。上述器件結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)二維層狀材料平面端面的低壓場致電子發(fā)射，可應(yīng)用于低壓驅(qū)動、低真空環(huán)境下工作的微納真空三極管或光電探測器。

上述基于二維層狀材料的器件在應(yīng)用于低壓驅(qū)動的微納真空三極管時，所述電極二5施加的電壓高于所述電極一1施加的電壓；所述電極一1懸空部分的面積為所述電極二5頂端面積的10⁴倍，所述電極二5側(cè)邊與輔助部件2側(cè)邊的縫隙二4寬度為1000nm，使電極二5正對的電極一1局域位置中電子能級釘扎效應(yīng)弱化；在電極二5電場誘導(dǎo)下，電極一1中的電子填充到較高的能級并產(chǎn)生高效的場致電子發(fā)射；所述電極一1與電極二5頂部之間的縫隙一3有助于降低電極一1平面端面的場致電子發(fā)射驅(qū)動電壓。

上述基于二維層狀材料的器件在應(yīng)用于光電探測器時，所述電極二5施加的電壓高于所述電極一1施加的電壓；所述電極一1懸空部分的面積為所述電極二5頂端面積的10⁴倍，所述電極二5側(cè)邊與輔助部件2側(cè)邊的縫隙二4寬度為1000nm，使電極二5正對的電極一1局域位置中電子能級釘扎效應(yīng)弱化；在電極二5電場誘導(dǎo)下，電極一1中的電子填充到較高的能級；激光的輻照使位于高能級的電子獲得足夠的能量越過表面勢壘發(fā)射到真空中，發(fā)射的電子被電極二5收集形成光電流，實現(xiàn)對光信號的探測；由于位于高能級的電子發(fā)射所需的光子能量較小，使電極一1的截止波長變長，響應(yīng)波長范圍變寬。

上述基于二維層狀材料的器件應(yīng)用于低真空條件下工作的微納真空三極管或光電探測器時，由于電極一1與電極二5頂端之間的縫隙一3的寬度與電子在大氣中的平均自由程相當(dāng)，器件工作過程中氣體分子與電子發(fā)生碰撞電離導(dǎo)致器件擊穿的概率較小，使器件可以在低真空條件下進行工作。

如圖3所示，上述基于二維層狀材料的器件通過以下方法制備而成：

si.如圖3（i）所示，利用微納加工工藝在硅導(dǎo)電襯底7上制備硅尖錐作為電極二5；所述硅尖錐高度為100-1000nm，頂端曲率半徑為1-25nm；在本實施例中，所述硅尖錐高度具體為1000nm，頂端曲率半徑具體為10nm；

sii.如圖3（ii）所示，利用微納加工工藝在si所述電極二5外側(cè)的硅導(dǎo)電襯底7上制備絕緣層6，在絕緣層6上制備輔助部件2，得到第一組合體；所述輔助部件2上表面與電極二5頂端的高度差為1-100nm；在本實施例中，所述高度差具體為30nm；所述電極二5側(cè)邊與輔助部件2側(cè)邊的縫隙二4寬度為10-5000nm；在本實施例中，所述縫隙二4寬度具體為1000nm；

siii.如圖3（iii）所示，采用機械剝離的方法制備二維層狀材料二硫化鉬電極一1并平鋪于硅襯底8上；所述電極一1的厚度為0.3-50nm；在本實施例中，所述電極一1的厚度具體為2.55nm；上述電極一1也可通過液相剝離或化學(xué)氣相沉積的方法制備而成；上述硅襯底8表面覆蓋有300nm二氧化硅層；上述硅襯底8也可選用二氧化硅、氮化硅、氧化鋁、石英、銅、鐵、不銹鋼或玻璃替代；

siv.如圖3（iv）所示，在附著有電極一1的硅襯底8表面涂覆聚苯乙烯溶液9，自然風(fēng)干35-45s；所述聚苯乙烯溶液9的溶劑為甲苯，溶質(zhì)與溶劑質(zhì)量之比為1:10；

sv.如圖3（v）所示，利用帶有孔洞11的膠帶10將所述聚苯乙烯層9和電極一1從硅襯底8表面剝離；所述膠帶10粘附于聚苯乙烯層9的表面，得到電極一1——膠帶10組合體；

svi.如圖3（vi）所示，在所述電極一1——膠帶10組合體的孔洞11中粘附聚二甲基硅氧烷薄膜12，撕去膠帶10，得到第一組合薄片；所述孔洞11的尺寸與粘附的聚二甲基硅氧烷薄膜12相當(dāng)；

svii.如圖3（vii）所示，在光學(xué)顯微鏡載物臺表面放置快速加熱板14，將所述第一組合體固定在快速加熱板14上；將所述第一組合薄片上的聚二甲基硅氧烷薄膜12固定在微米步進裝置的載玻片13上，通過調(diào)整微米步進裝置和光學(xué)顯微鏡載物臺，使電極一1對準(zhǔn)電極二5；下移載玻片13的位置，使電極一1與輔助部件2頂部相連接，得到第二組合體；

sviii.如圖3（viii）和（ix）所示，利用快速加熱板14將第二組合體加熱至120℃，并保持恒溫2min，聚苯乙烯層9發(fā)生軟化；通過所述微米步進裝置升高載玻片13，附著于載玻片13上的聚二甲基硅氧烷薄膜12與聚苯乙烯層9分離；利用甲苯溶解去除聚苯乙烯層9，所得組合體為所述器件。

在上述步驟sii中，通過調(diào)整所述輔助部件2上表面與電極二5頂端的高度差，調(diào)節(jié)范圍為1-100nm；從而調(diào)整所述器件中電極一1與電極二5頂端之間的距離，調(diào)節(jié)范圍為1-100nm；在本實施例中，所述輔助部件2上表面與電極二5頂端的高度差具體為30nm，從而固定器件中所述電極一1與電極二5頂端之間的距離為30nm。

在上述步驟sviii中，所述溶解去除聚苯乙烯層9的有機溶劑也可以選用乙醇、乙酸或丙酮。

除了通過有機溶劑溶解，上述聚苯乙烯層9也可采用退火或等離子體刻蝕的方法去除；當(dāng)所述聚苯乙烯通過退火去除時，退火在壓強10^-4pa，溫度450℃的條件下進行，退火時間為90-120min。

實施例2

除了制備所述真空電子器件的方法不同外，其他條件同實施例1；

所述真空電子器件通過以下方法制備而成：

s1.利用微納加工工藝在硅導(dǎo)電襯底7上制備硅尖錐作為電極二5；所述硅尖錐高度為100-1000nm，頂端曲率半徑為1-25nm；在本實施例中，所述硅尖錐高度具體為1000nm，頂端曲率半徑具體為10nm；

s2.利用微納加工工藝在上述電極二5外側(cè)的硅導(dǎo)電襯底7上制備絕緣層6，在絕緣層6頂端制備輔助部件2，得到第一組合體；所述輔助部件2上表面與電極二5頂端的高度差為1-100nm；在本實施例中，所述高度差具體為30nm；所述電極二5側(cè)邊與輔助部件2側(cè)邊的縫隙二4寬度為10-5000nm；在本實施例中，所述縫隙二4寬度具體為1000nm；

s3.利用化學(xué)氣相沉積方法制備二硫化鉬薄片，所述二硫化鉬薄片的厚度為100-300μm；

s4.利用膠帶10對所述二硫化鉬薄片進行剝離，得到電極一1——膠帶10組合體；在所述電極一1——膠帶10組合體中，所述電極一1的厚度為0.3nm-50nm；在本實施例中，所述電極一1的厚度具體為50nm；

s5.將所述電極一1——膠帶10組合體對準(zhǔn)第一組合體中的電極二5，粘附于第一組合體的輔助部件2頂部；剝離膠帶，電極一1與輔助部件2頂部連接，所得組合體為所述器件。

試驗

測試實施例1所述的器件的場致電子發(fā)射特性，得出如圖4所示的電流-電壓特性曲線；測試結(jié)果表明，當(dāng)電極二5與電極一1之間的電壓為6v時，電極一1發(fā)射電流為25pa；當(dāng)電極二5與電極一1之間的電壓為7.5v時，電極一1發(fā)射電流為50pa；當(dāng)電極二5與電極一1之間的電壓為9v時，電極一1發(fā)射電流為100pa；說明該器件可實現(xiàn)低壓驅(qū)動。

利用實施例2所述的器件，在無激光輻照和波長為325nm的激光輻照條件下測試其場致電子發(fā)射特性，得出如圖5所示的電流-電壓特性曲線，如圖所示，a線為器件在325nm的激光輻照條件下測試器件所得到的場致電子發(fā)射電流-電壓特性曲線，b線為器件在無激光輻照條件下測試器件所得到的場致電子發(fā)射電流-電壓特性曲線，從圖5可以看出，當(dāng)電極二5與電極一1之間的電壓為12v時，在無激光輻照條件下，電極一1發(fā)射電流為100pa，在波長為325nm的激光輻照下，電極一1發(fā)射電流為120pa，發(fā)射電流增益為20％，說明該器件產(chǎn)生了明顯的光響應(yīng)信號，可應(yīng)用于低壓驅(qū)動的光電探測器。

對比例1

制備方法同實施例1，不同的是：所述電極二5頂端的曲率半徑為100nm；所述電極一1懸空部分的面積是電極二5頂端面積的2倍。采用本對比例的方法制備了基于二維層狀材料二硫化鉬的真空電子器件。

測試本對比例制備的器件的場致電子發(fā)射特性，結(jié)果表明，當(dāng)電極二5與電極一1之間的電壓為50v時，電極一1發(fā)射電流為25pa；與實施例1制備的器件比較，獲得相同的發(fā)射電流25pa，本對比例制備的器件所需的驅(qū)動電壓比實施例1制備的器件高出了44v，說明本對比例制備的器件不能實現(xiàn)二維層狀材料二硫化鉬平面的低壓場致電子發(fā)射。