纳米线及其制备工艺的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种新型的半导体KPiS纳米线及其制备工艺。
【背景技术】
[0002] 纳米线是典型的一维结构，通常认为直径在数十纳米到数百纳米之间的实屯、结构 为纳米线。而半导体纳米线由于2个维度的尺寸到达纳米级别，它的性能与体材料有着巨大 的差异。因此，半导体纳米线受到了人们的广泛关注。目前多种单质或者化合物半导体纳米 线已经被报道，由于其独特的构造基元和性能，它们在光电探测器，太阳能电池，发光二极 管，激光器等方面收到了广泛的关注。
[0003] KPis富憐半导体材料早在1967^年就被成功制备出来，但是由于缺乏对KPis系列 晶体结构的认知，很少有人报道运一系列半导体材料。最近，LiPis的结构已经被人解出W。 我们研究发现KPis半导体与LiPis结构相似，KPis和LiPis可能成为续纳米碳管之后第二种有 管状结构的材料。通过高分辨透射电镜(TEM)分析，我们发现KPis为片层结构;结合LiPis的X 射线衍射谱的结构精修结果，我们认为KPis每一层由富憐管相互平行排列组成，每一个富憐 管由无数个Pis斗元链接而成，同时相邻的4个Pis斗元由一个K原子相连。由于K原子只能提 供一个自由电子，所WK原子只能与一个单元成化学键，所W每个富憐管之间链接力很 弱。在KPis晶体中，通过施加适当的外力作用，富憐管就可W被剥离出来而形成纳米线。目 前，KPis纳米线尚无人报道，制备出纯净的KPis系列纳米线对研究运一系列纳米材料的性能 将有重要意义。
[0004] 根据W上研究结果，我们认为可W采用液相剥离或机械剥离的方法制备KPis纳米 线。机械剥离的方法是将二维材料薄片直接从块体上剥离下来，所得的二维材料薄片缺陷 少但产量极低。液相剥离主要基于溶液与材料相互作用，减小材料层与层间的相互作用力， 通过超声施加外力是材料层与层分开，运种方法产量大但是有机溶液难W去除。目前，液相 剥离及机械剥离法已成功用于二维材料的制备，KPis中各个富憐管之间作用力很弱，因此， 可W用液相剥离及机械剥离的办法得到KPis纳米线。目前尚未有制备KPis半导体一维材料 的报道。
[0005] 我们使用块状K(纯度97 %Wt% )和红憐粉末(纯度99.9999wt% )混合，封在石英管 内。采用已有的气相转移方法制备KPis块材料。石英管水平放置在双溫区热处理炉的炉腔 内，石英管有原材料的一头放置在其中一个加热溫区内，将此溫区设为热端，另一个溫区设 为冷段，30min内将热端/冷端溫度升到650°C/200°C，保溫12h然后冷却到室溫，得到KPis晶 体。图1为K原子比为10%时所得KPis样品Rietveld方法的精修结果，由于KPis中具体的原子 坐标信息未被解出，精修固定了晶胞参数和空间群(已被报道W)，图2为K原子比为7%时所 得KPis样品的能谱邸S结果。
[0006] 本发明使用酒精作为液相剥离的介质，通过超声从KPis块体上剥离下来KPis纳米 线，图3为液相剥离所得KPis纳米线的高分辨像，经TCM发现所得的纳米线尺寸最佳可达长6 微米，宽80nm。同时也用机械剥离的办法得到了KPis的纳米线。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是通过液相剥离W及机械剥离的方法获得尺寸合适的半导体KPis纳 米线，其中液相剥离仅使用酒精及丙酬作为剥离溶液，剥离过程仅仅使用一般的超声清洗 机。
[0008] 本发明所设及的单导体材料的化学式为:KPi5。
[0009] 本发明所提供的半导体KPis纳米线的制备方法，其特征在于它包括W下步骤(1)或 (2)或(3):
[0010] (1)将肌5块材用玻璃烧杯盛放，加入无水酒精，在超声清洗机中进行超声，肌5纳 米线会分离出来，悬浮在无水酒精之中。
[0011] (2)将KPis块材用玻璃烧杯盛放，加入丙酬，在超声清洗机中进行超声，KPis纳米线 会分离出来，悬浮在丙酬之中。
[0012] (3)采用机械剥离的办法得到KPiS纳米线。
[0013] 所述工艺制备得到的半导体KPis纳米线。
[0014] 实验证明，用W上方法可W成功制得宽度达到纳米级别的KPis纳米线，该方法制得 的米线宽度最佳为80nm。调整液相剥离的工艺影响制得KPis纳米线的粗细，但仍然可成功制 得KPis纳米线。
【附图说明】
[0015]图1:KPi5多晶X射线衍射的实验值与计算值，实验值和计算值所给的衍射峰为基本 一致，说明KPis已被成功制备。
[0016] 图2:KP化的邸S结果，K，P原子比接近1/15。
[0017] 图3:为液相剥离所得肌5纳米线的高分辨像，边缘上的非晶可能为拍高分辨像时 产生的碳沉积。KPis为片层状材料，具有高各向异性。
[001引图4:酒精中50W超声化时液相剥离所得的KPis纳米线的低倍TEM像。
[0019 ]图5:酒精中50W超声化时液相剥离所得的肌日纳米线的低倍TEM像。
[0020] 图6:酒精中1OOW超声化时液相剥离所得的KPiS纳米线的低倍TEM像。
[0021] 图7:丙酬中IOOW超声化时液相剥离所得的KPis纳米线的低倍TEM像。
[0022] 图8:机械剥离法制备所得的肌5纳米线的光镜及AFM图像
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
[0024] 例1.所用原材料为块状K(纯度97%Wt% )和红憐粉末(纯度99.9999wt% )，K原子 比占7%。将原材料混合，封在石英管内。石英管内为高真空。石英管水平放置在双溫区CVD 炉的炉腔内，石英管有原材料的一头放置在其中一个加热溫区内，将此溫区设为热端，另一 个溫区设为冷段，30min内将热端/冷端溫度升到650°C/200°C，保溫12h然后冷却到室溫，将 所得KPis样品Img放入80ml酒精中，在超声清洗机中50W超声化。静置后取上层清液滴在碳微 栅上。采用TEM分析所得纳米线的形状，见图4。
[00巧]例2.所用原材料为块状K(纯度97%wt%)和红憐粉末(纯度99.9999wt%)，K原子 比占7%。将原材料混合，封在石英管内。石英管内为高真空。石英管水平放置在双溫区CVD炉的炉腔内，石英管有原材料的一头放置在其中一个加热溫区内，将此溫区设为热端，另一 个溫区设为冷段，30min内将热端/冷端溫度升到650°C/200°C，保溫12h然后冷却到室溫，将 所得KPis样品Img放入80ml酒精中，在超声清洗机中50W超声化。静置后取上层清液滴在碳微 栅上。采用TEM分析所得纳米线的形状，见图5。
[00%] 例3.所用原材料为块状K(纯度97%Wt% )和红憐粉末(纯度99.9999wt% )，K原子 比占7%。将原材料混合，封在石英管内。石英管内为高真空。石英管水平放置在双溫区CVD 炉的炉腔内，石英管有原材料的一头放置在其中一个加热溫区内，将此溫区设为热端，另一 个溫区设为冷段，30min内将热端/冷端溫度升到650°C/200°C，保溫12h然后冷却到室溫，将 所得KPis样品Img放入80ml酒精中，在超声清洗机中IOOW超声化。静置后取上层清液滴在碳 微栅上。采用TEM分析所得纳米线的形状，见图6。
[0027] 例4.所用原材料为块状K(纯度97%wt% )和红憐粉末(纯度99.9999wt% )，K原子 比占7%。将原材料混合，封在石英管内。石英管内为高真空。石英管水平放置在双溫区CVD 炉的炉腔内，石英管有原材料的一头放置在其中一个加热溫区内，将此溫区设为热端，另一 个溫区设为冷段，30min内将热端/冷端溫度升到650°C/200°C，保溫12h然后冷却到室溫，将 所得KPis样品Img放入80ml丙酬中，在超声清洗机中IOOW超声化。静置后取上层清液滴在碳 微栅上。采用TEM分析所得纳米线的形状，见图7。
[0028] 例5.所用原材料为块状K(纯度97%Wt% )和红憐粉末(纯度99.9999wt% )，K原子 比占7%。将原材料混合，封在石英管内。石英管内为高真空。石英管水平放置在双溫区CVD 炉的炉腔内，石英管有原材料的一头放置在其中一个加热溫区内，将此溫区设为热端，另一 个溫区设为冷段，30min内将热端/冷端溫度升到650°C/200°C，保溫12h然后冷却到室溫，将 所得KPis用Scotch胶带撕成薄片后转移到带300nm厚Si化层的Si片上。采用原子力显微镜 (AFM)分析所得纳米线的形状，见图8。
[0029]W例1制备出的KPis纳米线为例，通过TEM所得的低倍明场像可知，由液相剥离所得 的肌5纳米线宽度为250nm。所制得的纳米线宽度已经达到纳米级。
[0030] W例2制备出的KPis纳米线为例，通过TEM所得的低倍明场像可知，由液相剥离所得 的肌5纳米线宽度为130nm。所制得的纳米线宽度已经达到纳米级。
[0031]W例3制备出的KPis纳米线为例，通过TEM所得的低倍明场像可知，由液相剥离所得 的肌5纳米线宽度为80nm。所制得的纳米线宽度已经达到纳米级。
[0032] W例4制备出的KPis纳米线为例，通过TEM所得的低倍明场像可知，由液相剥离所得 的肌5纳米线宽度为250nm。所制得的纳米线宽度已经达到纳米级。
[0033]W例5制备出的KPis纳米线为例，通过AFM结果可知由机械剥离制得的纳米线宽度 可达157nm，厚度达14nm。所制得的纳米线宽度已经达到纳米级。
[0034] 1:H.G.vonSchneringandH.Schmidt,Angew.Qiem.,79,323(1967).
[0035] 2 :NadineEckstein,Laura-AliceJantke,!"IiomasF.Fiissler,J自nosMink, MarkusDrees，andTomNilges本.Eur.J.Inorg.Chem.2014,5135-5144.
【主权项】
1. 一种半导体KP15纳米线的制备工艺，其特征在于:它包括以下步骤(1)或(2)或(3): (1) 将KPl5块材用玻璃烧杯盛放，加入无水酒精，在超声清洗机中进行超声，KPl5纳米线 会分离出来，悬浮在无水酒精之中； (2) 将ΚΡ?5块材用玻璃烧杯盛放，加入丙酮，在超声清洗机中进行超声，ΚΡ?5纳米线会分 离出来，悬浮在丙酮之中； (3) 采用机械剥离的办法得到即15纳米线。2. 根据权利要求1所述工艺制备得到的半导体即15纳米线。
【专利摘要】本发明涉及一种新型半导体KP15纳米线及其制备工艺，该半导体纳米线的分子式为KP15，制备工艺为液相剥离或机械剥离。其优点是：所制备的半导体纳米线具有高各向异性，纳米线方向沿P15管方向，纳米线宽度最小可达80nm,所制备的纳米线是通过液相剥离或机械剥离的方法直接从KP15块上剥离下来，液相剥离所用剥离溶液易挥发且所用设备简单易维护。所制得的纳米线对今后研究KP15半导体纳米线有着重要意义。
【IPC分类】B82B3/00, B82Y40/00
【公开号】CN105439084
【申请号】CN201510886442
【发明人】刘丹敏, 田楠, 袁振洲, 杨炎翰, 张永哲
【申请人】北京工业大学
【公开日】2016年3月30日
【申请日】2015年12月6日