钒掺杂二硫化钨纳米片材料及其制备方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及一种f凡掺杂二硫化妈纳米片材料及其制备方法，属于无机材料技术领域。
【背景技术】
[0002]目前，近年来，过渡金属硫化物MS2因其特殊的层状结构引起越来越多的研究人员重视，成为非常热门的材料种类。MS2材料具有良好的光、电、润滑、催化等性能，在燃料电池、太阳能电池、发光二极管、传感器、锂离子电池、超级电容器、温差电敏器件、润滑剂和存储器等方面应用非常广泛。二硫化钨(WS2)作为其中一种典型的过渡金属硫化物半导体材料一直受到了人们的关注。WS2化学稳定性和热稳定性良好，比表面积大，表面活性高，具有独特的物理和化学特性，在催化、润滑、电化学储锂等方面都有着广泛的应用前景。由于WS2材料在光电导、发光、生物传感器件、场效应管和光催化领域有着潜在的应用，因此它的能带结构对于其应用有着直接的影响。掺杂是半导体器件或集成电路工艺中最重要的工艺环节之一，通过杂质种类的筛选和掺杂水平的调节，实现半导体光电特性的可控。最近，人们研究发现在非磁性的半导体材料中掺入少量3d族过渡金属元素或4f族稀土金属元素将获得具有铁磁性能的新型功能材料，这种新型半导体材料被称为稀磁半导体(DMS)。由于杂质原子的引入，改变了原有半导体的微观机制，使其在电、磁等方面展现出极其独特的性质，并且由于它兼有半导体和铁磁的性质，即在一种材料中同时应用电子电荷和自旋两种自由度，则易于将半导体的信息处理与磁性材料的信息存储功能融合在一起，有望在自旋电子器件中发挥重要的作用。正是受到掺杂效应所产生的如此重要的影响，导致人们最近对掺杂改善半导体材料的电子结构和性质进行了广泛的理论计算研究。如张昌华等采用基于密度泛函理论的第一性原理，计算研究了 Te掺杂单层MoS2的电子结构与光电性质；张芳等通过计算研究发现，Cr掺杂时WS2能带结构由直接带隙变为间接带隙，且带隙宽度随着掺杂量的增加而逐渐减小；Chao等的研究表明，经Mn掺杂的单层MoS2在室温下可以获得稳定性良好的铁磁性能;Wei Jianwei等研究了V掺杂对单层WS2的电学和光学性能的影响。
[0003]目前国内外对掺杂改善半导体材料的性能方面的研究主要集中在理论计算上，但也有少量的研究集中在材料的制备及相关应用性能上。如Yadgarov L等制备了铼掺杂IF-MoS2纳米颗粒，并对其摩擦学性能进行了研究。中国科学研究院兰州化学物理研究所的刘维民教授研究团队针对掺杂对WS2薄膜在真空或潮湿空气条件下的摩擦学性能展开了一系列的研究，研究了 Cu、Ag和Ni三种不同的金属元素掺杂后对WS2薄膜的摩擦学性能的影响，实验结果发现掺杂能显著提高WS2薄膜的减摩和抗磨性能，他们所采用的制备方法是直接将掺杂的金属材料与WS2通过溅射的方法形成薄膜。基于金属掺杂WS2纳米材料的研究现状，我们对V掺杂WS2纳米材料的制备方法进行了研究，设计了一种新的制备方法及纳米材料。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种钒掺杂二硫化钨纳米片材料，它不仅工艺简单、成本低，而且能够显著提高其制备的薄膜的减摩和抗磨性能。
[0005]本发明解决上述技术问题采取的技术方案是:一种钒掺杂二硫化钨纳米片材料的制备方法，该方法的步骤中含有:
[0006](I)将单质钒粉、黄钨酸和硫脲按摩尔比为(0.25-0.5):1:(50-100)配比混合后研磨；
[0007](2)然后将研磨后的粉末经过恒温处理；
[0008](3)再冷却得到钒掺杂二硫化钨纳米片材料。
[0009]进一步，在所述的步骤(I)中，研磨时间为10?20min。
[0010]进一步，在所述的步骤(2)中，恒温处理的温度为900°C?1100°C。
[0011 ] 进一步，在所述步骤(2)中，恒温处理的时间为30?60min。
[0012]进一步，在所述步骤(2)中，将研磨后的粉末装入瓷舟;开启管式炉，将瓷舟推入管式炉的中央热区位置并恒温处理。
[0013]进一步，在所述步骤(2)中，管式炉温度达到500°C?750°C时将装有研磨后的粉末的瓷舟推入管式炉中央热区位置，再将管式炉升温至900?1100°C，并恒温处理30?60min。
[0014]进一步，所述管式炉的升温速度为10?12°C/min。
[0015]进一步，所述管式炉内保护气体为氮气或氩气。
[0016]进一步，在所述的步骤(3)中，自然冷却至室温即可。
[0017]本发明还提供了一种钒掺杂二硫化钨纳米片材料，它主要由以下组分制备而成:
[0018]单质钒粉、黄钨酸和硫脲;其中，单质钒粉、黄钨酸和硫脲的摩尔比为(0.25-0.5):1:(50-100)ο
[0019]采用了上述技术方案，本发明具有一下的有益效果:
【附图说明】
[0020]图1为本发明实施例一制得的钒掺杂二硫化钨纳米片材料的XRD谱图；
[0021 ]图2为本发明实施例一制得的钒掺杂二硫化钨纳米片材料的EDS图；
[0022]图3为本发明实施例一制得的钒掺杂二硫化钨纳米片材料的场发射扫描电镜(SEM)照片;
[0023]图4为本发明实施例1制得的钒掺杂二硫化钨纳米片材料的TEM图。
【具体实施方式】
[0024]为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
[0025]实施例一:
[0026]将0.5g黄钨酸与10.2mg钒粉和15.2g硫脲混合后用研钵研磨20min，将研磨后的粉体装入瓷舟;开启管式炉，同时通入氩气，待管式炉升温至650°C时打开管式炉出口端法兰盘，将瓷舟迅速推入管式炉中央热区位置，并封上法兰盘;再以10°C/min的速率将管式炉升温至950°C，恒温处理30min;然后，自然冷却到室温，得到黑灰色粉末，即为钒掺杂二硫化钨纳米片材料。
[0027]图1为实施例一所制备的产物的XRD图谱；图2为实施例一所制备的产物的EDS图谱，在图中可看出产物主要有S、W和V三种元素组成；图3为实施例一所制备产物的SEM照片，可以明显看到大量片状结构生成；图4为实例一.所制备产物的TEM照片，可以看到明显的层状结构特征。
[0028]实施例二:
[0029]将0.5g黄钨酸与8.4mg钒粉和9g硫脲混合后用研钵研磨1min，将研磨后的粉体装入瓷舟;开启管式炉，同时通入氩气，待管式炉升温至750 V时打开管式炉出口端法兰盘，将瓷舟迅速推入管式炉中央热区位置，并封上法兰盘;再以12°C/min的速率将管式炉升温至1050°C，恒温处理60min;然后，自然冷却到室温，得到黑灰色粉末，即为钒掺杂二硫化钨纳米片材料。
[0030]实施例三:
[0031]将0.5g黄钨酸与20mg钒粉和14g硫脲混合后用研钵研磨15min，将研磨后的粉体装入瓷舟;开启管式炉，同时通入氮气，待管式炉升温至500 V时打开管式炉出口端法兰盘，将瓷舟迅速推入管式炉中央热区位置，并封上法兰盘;再以12°C/min的速率将管式炉升温至1000°C，恒温处理30min;然后，自然冷却到室温，得到黑灰色粉末，即为钒掺杂二硫化钨纳米片材料。
[0032]用以上三个实施例制备的钒掺杂二硫化钨纳米片材料制备的薄膜，经过检测发现其减摩和抗磨性能比单独采用二硫化钨制备的薄膜得到了显著，完全符合要求。
[0033]以上所述的具体实施例，对本发明解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种钒掺杂二硫化钨纳米片材料的制备方法，其特征在于该方法的步骤中含有: (1)将单质钒粉、黄钨酸和硫脲按摩尔比为(0.25-0.5):1:(50-100)配比混合后研磨； (2)然后将研磨后的粉末经过恒温处理； (3)再冷却得到钒掺杂二硫化钨纳米片材料。2.根据权利要求1所述的钒掺杂二硫化钨纳米片材料的制备方法，其特征在于:在所述的步骤(I)中，研磨时间为10?20min。3.根据权利要求1所述的钒掺杂二硫化钨纳米片材料的制备方法，其特征在于:在所述的步骤(2)中，恒温处理的温度为900 °C?1100 °C。4.根据权利要求1或3所述的f凡掺杂二硫化妈纳米片材料的制备方法，其特征在于:在所述步骤(2)中，恒温处理的时间为30?60min。5.根据权利要求1所述的钒掺杂二硫化钨纳米片材料的制备方法，其特征在于:在所述步骤(2)中，将研磨后的粉末装入瓷舟;开启管式炉，将瓷舟推入管式炉的中央热区位置并恒温处理。6.根据权利要求5所述的钒掺杂二硫化钨纳米片材料的制备方法，其特征在于:在所述步骤(2)中，管式炉温度达到500°C?750°C时将装有研磨后的粉末的瓷舟推入管式炉中央热区位置，再将管式炉升温至900?1100°C，并恒温处理30?60min。7.根据权利要求6所述的钒掺杂二硫化钨纳米片材料的制备方法，其特征在于:所述管式炉的升温速度为10?12°C/min。8.根据权利要求5所述的钒掺杂二硫化钨纳米片材料的制备方法，其特征在于:所述管式炉内保护气体为氮气或氩气。9.根据权利要求1所述的钒掺杂二硫化钨纳米片材料的制备方法，其特征在于:在所述的步骤(3)中，自然冷却至室温即可。10.一种钒掺杂二硫化钨纳米片材料，其特征在于，它主要由以下组分制备而成: 单质钒粉、黄钨酸和硫脲;其中，单质钒粉、黄钨酸和硫脲的摩尔比为(0.25-0.5):1:(50-100)ο
【专利摘要】本发明公开了一种钒掺杂二硫化钨纳米片材料及其制备方法，方法的步骤中含有：(1)将单质钒粉、黄钨酸和硫脲按摩尔比为(0.25-0.5):1:(50-100)配比混合后研磨；(2)然后将研磨后的粉末经过恒温处理；(3)再冷却得到钒掺杂二硫化钨纳米片材料。本发明方法不仅工艺简单、成本低，而且能够显著提高其制备的薄膜的减摩和抗磨性能。
【IPC分类】C01G41/00, B82Y30/00
【公开号】CN105668636
【申请号】CN201610211865
【发明人】张向华, 王出, 雷卫宁, 叶霞, 林本才
【申请人】江苏理工学院
【公开日】2016年6月15日
【申请日】2016年4月6日