专利名称：非掺杂碲化铋的磁性材料及其制备方法
技术领域：
本发明属于纳米磁性材料的技术领域，特别涉及一种具有室温铁磁性的非掺杂的碲化铋纳米材料及其制备方法。
背景技术：
长期以来，碲化铋(Bi2Te3)由于室温下具有高的品质因子(ZT)而被广泛用于热电材料。最近，Bi2Te3被发现是最简单的三维拓扑绝缘体之一，其体相是绝缘体，而边缘和表面则是无能隙的金属态，并包含一个狄拉克圆锥。这一发现引起了凝聚态物理和材料化学领域极大的关注。现有的碲化铋(Bi2Te3)材料，都是通过较高温度下的固态粉末烧结而成，或是将相应的固体粉末利用球磨机研磨制得。并且，大多数是基于体材料的Bi2Te3的制备。对于Bi2Te3的溶胶-凝胶法制备以及碲化铋纳米磁性材料迄今未见报道过。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种溶胶凝胶法制备碲化铋纳米晶的方法，制得非掺杂的纳米尺度的具有室温铁磁性的碲化铋材料。本发明的技术方案如下。
一种非掺杂碲化铋的磁性材料的制备方法，首先将醋酸铋、油酸和十八烯装入容器，在氮气的保护下，磁力搅拌并升温至醋酸铋完全溶解；随后降至室温，将浓度为
O.2mol/L的碲的三辛基膦溶液加入到容器中，升温至200°C保温I小时；经离心洗样得到碲化铋粉体磁性材料；其中按摩尔比醋酸铋碲=2 : 3，按体积比油酸十八烯=1 6，油酸的用量按每mol醋酸铋加入5L油酸计算。所述的碲的三辛基膦溶液，可以按如下过程配制将碲粉和三辛基膦混合，在氮气的保护下升温至20(T250°C保持2 4小时后自然降至室温，得到浓度为O. 2mol/L的碲的三辛基膦溶液。所述的离心洗样是按常规方法进行的。由上述方法制得的产物是碲化铋磁性材料。所述的碲化铋磁性材料，分子式为Bi2Te3;为三角晶系的纳米晶，平均直径为430nmo本发明提供了在没有任何杂质(S卩，没有铁、钴、镍、铬、锰等元素的掺杂)情况下的纳米尺度碲化铋呈现出室温铁磁性。基于密度泛函理论的第一性原理计算表明，点缺陷Te2反位替代BiTe2是导致产生磁性的根本原因。而其他内禀缺陷，如碲空位VTe2和1^反位替代BiTel则不会导致任何磁矩的产生。碲化铋的磁性与新发现的最简单的三维拓扑绝缘体相结合，则有望突破时间反演对称的束缚，从而打开表面的狄拉克点。这一发现可能为将来的自旋电子学和量子计算机方面带来潜在的应用价值。
图1为实施例1制备的样品的X射线衍射谱图的Rietveld精修。图2为实施例1所制得的样品的扫描电镜照片。图3为实施例1样品的高分辨透射电子显微镜。图4为温度分别在5K和300K时，实施例1所制得的样品的磁化强度与磁场的关系曲线。其中插图为中间部分的放大曲线。图5为实施例1所制得的样品对应于不同温度的场冷却(FC)和零场冷却(ZFC)磁化强度曲线。
具体实施例方式现结合下列实施例具体地描述本发明。实施例1 Bi2Te3纳米晶的制备及表征首先，配制浓度为O. 2mmol/mL的碲的三辛基膦溶液，具体操作工艺如下将碲粉(2mmol)和三辛基膦(IOmL)混合至50mL圆底三颈瓶中，在氮气的保护下升温至200°C保持4小时后自然将至室温，并贮存以备用。也可以在氮气的保护下升温至250°C保持2小时后自然将至室温，配制得到浓度为O. 2mol/L的碲的三辛基膦溶液。
其次，将O. 2mmol醋酸秘，ImL油酸和6mL十八烯装入50mL圆底三颈瓶中并伴随着强烈的磁力搅拌，在氮气的保护下逐步升温至醋酸铋完全溶解。随后逐渐降至室温。在室温下将事先配制的O. 2mmol/mL碲的三辛基膦溶液1. 5mL加入到三颈瓶中，然后升至200°C并保持I小时。经离心洗样得到Bi2Te3粉体。图1为制备样品的X射线衍射花样，从中可以看到制备的样品为三方晶系(即三角晶系)的Bi2Te3，且具有较好的结晶性。如图2所示，从所制得的样品的扫描电镜照片可以看到，分级结构的(hierarchical) Bi2Te3纳米晶平均直径为430nm。从图3中的样品的高分辨透射电子显微镜可以看到，条纹间距为3.245 A,对应于三角晶系的(015)晶面间距。实施例2Bi2Te3纳米晶的磁性采用超导量子干涉仪MPMS-5对实施例1制得的Bi2Te3纳米晶的磁性进行检测，结果见图4、图5。如图4所示，为温度分别在5K和300K时样品的磁化强度与磁场的关系曲线。从中可以看到，样品在室温下表现为铁磁性，且饱和磁化强度为O. 017emu/g。从图4的插图中可以看到，样品在5K和300K时的矫顽力分别为IlOOe和400e。图5为对应于不同温度的场冷却(FC)和零场冷却(ZFC)磁化强度曲线。从中可以看到阻塞温度Tb约为170K。此夕卜，FC和ZFC曲线在350K附近逐渐合并，表明在室温附近仍存在磁秩有序。实施例3 Bi2Te3纳米晶的元素含量表征对实施例1制得的Bi2Te3纳米晶进行电感耦合等离子体发射谱检测。表I为样品的电感耦合等离子体发射谱检测的元素含量的结果。表I中的平均浓度(mg/L)是各元素在稀释的王水中的浓度(王水水溶液的浓度小于5%);标准偏差(mg/L)是指偏离元素在稀释王水中的平均浓度值的大小；平均浓度(PPm)为Bi2Te3样品中所含元素的质量浓度(μ g/g)。
表I
权利要求
1.一种非掺杂碲化铋的磁性材料的制备方法，首先将醋酸铋、油酸和十八烯装入容器，在氮气的保护下，磁力搅拌并升温至醋酸铋完全溶解；随后降至室温，将浓度为O. 2mol/L的碲的三辛基膦溶液加入到容器中，升温至200°C保温I小时；经离心洗样得到碲化铋粉体；其中按摩尔比醋酸铋碲=2 3，按体积比油酸十八烯=1 6，油酸的用量按每mol醋酸铋加入5L油酸计算。
2.根据权利要求1所述的非掺杂碲化铋的磁性材料的制备方法，其特征是，所述的碲的三辛基膦溶液，按如下过程配制将碲粉和三辛基膦混合，在氮气的保护下升温至20(T250°C保持2 4小时后自然降至室温，得到浓度为O. 2mol/L的碲的三辛基膦溶液。
3.一种权利要求1非掺杂碲化铋的磁性材料的制备方法制得的碲化铋磁性材料。
4.根据权利要求3所述的非掺杂碲化铋的磁性材料，其特征是，碲化铋磁性材料分子式为Bi2Te3 ;为三角晶系的纳米晶，平均直径为430nm。
全文摘要
本发明的非掺杂碲化铋的磁性材料及其制备方法属于纳米磁性材料的技术领域。首先将醋酸铋、油酸和十八烯装入容器，在氮气的保护下，磁力搅拌并升温至醋酸铋完全溶解；随后降至室温，将碲的三辛基膦溶液加入到容器中，升温至200℃保温1小时；经离心洗样得到碲化铋粉体磁性材料。碲化铋磁性材料为三角晶系的纳米晶，平均直径为430nm。本发明提供了在没有任何杂质情况下的纳米尺度碲化铋呈现出室温铁磁性；碲化铋的磁性与最简单的三维拓扑绝缘体相结合，可能为将来的自旋电子学和量子计算机方面带来潜在的应用价值。
文档编号C01B19/04GK103058152SQ201310016349
公开日2013年4月24日 申请日期2013年1月16日 优先权日2013年1月16日
发明者邹勃, 肖冠军 申请人:吉林大学