一种均匀大面积无损氢化半导体材料的制备方法、装置及应用

本发明涉及半导体材料表面工程，特别是一种均匀大面积无损氢化半导体材料的制备方法、装置及应用。

背景技术：

1、氢化技术被称为当今世界最重要的材料表面改性技术之一，通过氢掺杂可从根本上突破半导体材料的本征限制，大大改善其光电、催化与光热等性能，从而扩展其应用范围。

2、传统的氢化技术如氢分子、氢原子、氢离子和化学还原法有以下的问题：高温、高压、高功率和长时间破坏了材料的结构；化学法造成了化学残留物；此外，上述方法在氢化半导体薄膜的实际应用上有以下的技术瓶颈，比如均匀性差和小面积处理。

3、为了解决上述存在的问题，如公开号为cn103864046a的中国专利公开了一种制备氢化石墨烯的方法，采用湿法化学氢化法，反应条件温和、简单高效，成本低廉，能够大规模地制备带隙可调节的氢化石墨烯，但是其给氢化石墨烯材料带来了化学残留物，不适合制备半导体纳米光电器件；公开号为cn106745222a的中国专利公开了一种黑色二氧化钛大量均匀制备的方法，利用碳还原法可大量制备氢化二氧化碳，但高温(500-800℃)、长时间处理(2-6h)是实际应用的技术瓶颈，此外因不可控会破坏材料的结构；公开号为cn114477092a的中国专利公开了一种氢化氧化物的制备方法和应用，在大于0.01大气压下，过渡金属氧化物在水蒸气下烧结(烧结温度大于250℃，保温大于1h)，得到氢化氧化物，其局限于氢化过渡金属氧化物且需要较长的处理时间。目前尚无低成本、大面积对半导体材料进行无损氢化的方法。

技术实现思路

1、鉴于现有技术中的问题，本发明的目的是提供一种均匀大面积无损氢化半导体材料的制备方法、装置及应用，采用热丝阵列催化裂解氢气变成氢原子，产生均匀的氢原子束并使其动能保持小于0.5电子伏特，然后通过与材料表面或渗透到材料次表面形成化学键来实现可控氢掺杂，与传统氢化方法会产生不可逆的晶体结构破坏不同，本发明能够实现无损氢化，特别是对传统氢化敏感的半导体材料，能够突破限制，扩大该类半导体材料的应用范围。

2、为达到此目的，本发明采用以下技术方案：

3、本发明的第一方面提供一种均匀大面积无损氢化半导体材料的制备方法，具体技术方案如下：

4、一种均匀大面积无损氢化半导体材料的制备方法，包括以下步骤：

5、步骤一、将半导体材料置于热丝氢原子氢化装置的真空腔内的样品架上，抽真空；

6、步骤二、将热丝阵列升温至1000～2500℃，通入氢气，使真空腔内气压保持在0.1～100pa范围内，保持恒温至氢化反应完成，得到氢化半导体材料。

7、在本发明的一些实施例中，步骤一中还包括调整样品架与热丝阵列间的距离。

8、在本发明的一些实施例中，所述样品架与热丝阵列间的距离为20～100mm。

9、在本发明的一些实施例中，所述抽真空具体为确保真空腔内真空度不低于10-5pa。

10、在本发明的一些实施例中，升温过程中通过红外测温仪测量热丝的温度，并根据测量结果反馈改变热丝阵列的功率从而调节热丝的温度为预设值。

11、在本发明的一些实施例中，所述保持恒温通过调节热丝阵列的功率来实现。

12、在本发明的一些实施例中，氢化反应过程中半导体材料的温度为100～300℃。

13、在本发明的一些实施例中，所述恒温时间为5～30分钟。

14、在本发明的一些实施例中，反应完成后，先停止通入氢气，自然降温至室温，抽真空，通入氮气至1个标准大气压后再取出样品。

15、本发明第二方面提供一种上述的均匀大面积无损氢化半导体材料的制备方法所用的热丝氢原子氢化装置，包括真空腔，所述真空腔内设有热丝阵列和样品架，所述样品架与热丝阵列相对设置，所述真空腔上还设有抽气口和气源进口，所述抽气口与抽真空装置连接，所述气源进口与供气装置连接。

16、在本发明的一些实施例中，所述真空腔的材质包括但不限于不锈钢、石英、铝。

17、在本发明的一些实施例中，所述样品架可相对所述热丝阵列移动，便于调整样品架与所述热丝阵列之间的距离。

18、在本发明的一些实施例中，所述抽真空装置包括机械泵和扩散泵。

19、在本发明的一些实施例中，所述抽真空装置与所述抽气口连接的管路上设有抽气阀门；和/或，所述供气装置与气源进口连接的管路上设有供气阀门。

20、在本发明的一些实施例中，所述热丝阵列包括5～20根热丝，所述热丝的长度为100～800mm，相邻两根热丝之间的间距为10～100mm。

21、在本发明的一些实施例中，所述热丝选自钨丝。

22、在本发明的一些实施例中，所述热丝氢原子氢化装置还包括红外测温仪，所述红外测温仪用于测量热丝阵列和半导体材料的温度。

23、本发明第三方面提供上述均匀大面积无损氢化半导体材料的制备方法制得的氢化半导体材料在纳米光电器件、可再生能源和生物医疗中的应用。

24、本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

25、1、本发明提供的均匀大面积无损氢化半导体的制备方法，采用热丝阵列催化裂解氢气变成氢原子，产生均匀的氢原子束使其动能保持小于0.5电子伏特，然后通过与材料表面或渗透到材料次表面形成化学键来实现可控氢掺杂，因热丝的阵列面积大，可产生均匀、大面积的氢原子束，温和、无损氢化材料表面，因其动能低，保持小于0.5电子伏特，不会对材料产生损伤。

26、2、本发明提供的方法是一种低温、低功耗的方法，氢化效率很高，而且不需要使用贵金属催化裂解氢气变成氢原子，适合对氢化敏感的半导体材料，如石墨烯，因研究发现高于2-3电子伏特的氢离子就会破坏其晶体结构，而本发明中的氢原子动能保持小于0.5电子伏特，不会破坏其晶体结构。

27、3、本发明提供的方法处理时间短，仅需5～30分钟，因为相比于氢分子，氢原子的化学活性很高，从而产生高的氢化效率；由于本发明是物理氢化处理，因而材料表面清洁、无其他化学残留物。

技术特征：

1.一种均匀大面积无损氢化半导体材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的均匀大面积无损氢化半导体材料的制备方法，其特征在于，包括以下特征中的一项或几项：

3.如权利要求1所述的均匀大面积无损氢化半导体材料的制备方法，其特征在于，包括以下特征中的一项或几项：

4.一种如权利要求1～3任一项所述的均匀大面积无损氢化半导体材料的制备方法所用的热丝氢原子氢化装置，其特征在于，包括真空腔(1)，所述真空腔(1)内设有热丝阵列(3)和样品架(2)，所述样品架(2)与热丝阵列(3)相对设置，所述真空腔(1)上还设有抽气口(6)和气源进口(4)，所述抽气口(6)与抽真空装置(7)连接，所述气源进口(4)与供气装置(8)连接。

5.如权利要求4所述的热丝氢原子氢化装置，其特征在于，所述真空腔(1)的材质包括但不限于不锈钢、石英、铝；和/或，所述抽真空装置(7)包括机械泵和扩散泵；和/或，所述抽真空装置(7)与所述抽气口(6)连接的管路上设有抽气阀门(10)；和/或，所述供气装置(8)与气源进口(5)连接的管路上设有供气阀门(9)。

6.如权利要求4所述的热丝氢原子氢化装置，其特征在于，所述热丝阵列(3)包括5～20根热丝，所述热丝的长度为100～800mm，相邻两根热丝之间的间距为10～100mm由若干热丝。

7.如权利要求4所述的热丝氢原子氢化装置，其特征在于，所述样品架(2)可相对所述热丝阵列(3)移动，便于调整样品架(2)与所述热丝阵列(3)之间的距离。

8.如权利要求6所述的热丝氢原子氢化装置，其特征在于，所述热丝选自钨丝。

9.如权利要求4所述的热丝氢原子氢化装置，其特征在于，所述热丝氢原子氢化装置还包括红外测温仪，所述红外测温仪用于测量热丝阵列(3)和半导体材料的温度。

10.如权利要求1～3任一项所述的制备方法制得的氢化半导体材料在纳米光电器件、可再生能源和生物医疗中的应用。

技术总结本发明涉及半导体材料表面工程技术领域，主要是一种均匀大面积无损氢化半导体材料的制备方法、装置及应用。本发明采用热丝阵列催化裂解氢气变成氢原子，产生均匀的氢原子束，并使其动能保持小于0.5电子伏特，然后通过与材料表面或渗透到材料次表面形成化学键来实现可控氢掺杂，不会使半导体材料产生不可逆的晶体结构破坏，从而实现无损氢化，特别对传统氢化敏感的半导体材料，能够突破传统氢化方法的限制，扩大其应用范围。技术研发人员：王晓丹受保护的技术使用者：上海科技大学技术研发日：技术公布日：2024/6/5