二维半导体模板材料及其制备方法
【专利摘要】一种二维半导体模板材料，它的化学式为Mn+1Xn(OH)n，其中M为Sc、Ti或Zr，X为B、C或N，n为1或2；它的原材料为Mn+1AXn，其中A为Li、Na、Al、Si或K，将原材料烧结后进行球磨处理，获得粒度等于或者小于5μm的原材料粉末，在40-60wt.%HF溶液中恒温浸泡8-10小时，并使用电磁搅拌，同时用超声波对浸泡溶液进行超声处理60-80min，最后分别用5wt.%NaOH和去离子水清洗，直至原材料的PH值等于7，离心干燥后得到Mn+1Xn(OH)n二维半导体模板材料。本发明工艺和设备简单，重复性好，所得二维半导体模板材料剥离分层效果好，具有高的比表面积和可调的能带结构。
【专利说明】二维半导体模板材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种半导体模板材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]以石墨烯为代表的二维原子晶体是一类新材料，石墨烯材料具有本征载离子迁移率高、强场漂移速率高、电流承载能力高、面内热导率高等优异性能特点，是目前材料科学和凝聚态物理领域发展最为迅速和和活跃的研究前沿。但是石墨烯的零帯隙和半金属性阻碍了它在半导体器件领域的应用，所以，其它的类石墨烯二维材料，如二硫化钥、氧化钥、氮化硼、二维硼单层、二维稼族层状材料等在目前的材料、物理和化学等领域引起了极大的关注。
[0003]哈尔滨工业大学的碲化镓二维材料的制备方法及二维结构碲化镓柔性透明光探测器的制备方法(CN103236469A)，将镓与碲混合、保温，冷却至室温即可得到碲化镓二维材料，利用二维结构碲化镓半导体制得的柔性透明光探测器可以任意的弯曲，透光性好。该方法通过布里奇曼生长法制备的碲化镓二维材料，工艺要求精细，而且碲化镓单晶的生成率不高。同时二维结构碲化镓半导体制得的柔性透明光探测器的探测带宽受其能带限制，响应速度在一些性能要求更为严格的场合不能满足其使用条件。苏州大学的基于二维层状原子晶体材料的光探测器(CN103219403A)，以二氧化硅覆盖的硅衬底为基，一次叠加覆盖第一石墨烯导电层、二维层状原子晶体半导体材料层和第二石墨烯导电层制备的光探测器，具有探测波谱范围宽、超快响应速度和高截止频率的工作特性。但是该方法相应的设备装置比较复杂，操作条件严格，步骤繁琐，增加了制备的成本。
【发明内容】
:`[0004]本发明的目的在于提供一种操作工艺简单、成本低廉和性能稳定的二维半导体模板材料及其制备方法。
[0005]本发明的二维半导体模板材料的化学分子式为Mn+1Xn(OH)n，其中M为Sc、Ti或Zr，X为B、C或N, η为I或2。
[0006]上述二维半导体模板材料的制备方法如下:
[0007](I)制备原材料 Μη+1ΑΧη，其中 M 为 Sc、Ti 或 Zr，A 为 L1、Na、Al、Si 或 K，X 为 B、C或N，η为I或2。原材料制备方法为烧结后进行球磨处理:以所需的单质粉末或者化合物粉末为原料，以无水乙醇作为研磨介质，玛瑙珠作研磨体，按料:球:乙醇=1:3:1的比例放入聚氨酯罐中，转速为500r/min，均匀混合24h，置于真空干燥箱中，干燥60h。将混合均匀的原料装入内径20mm，外径50mm的高强度石墨模具中，用千斤顶预压(压力为20MPa)。烧结时用99.9%的氩气保护，烧结压力为30MPa，烧结温度为1400-1600°C，保温2_3h，保温结束后关闭电源，随炉冷却，得到直径为20mm，厚度约为IOmm的烧结体，将烧结体放入玛瑙研钵中研磨，通过3000目的筛子筛选出粒径等于或小于5 μ m的原材料粉末。
[0008](2)取上述步骤(1)制备好的原材料粉末浸泡于40-60wt.%HF溶液中，粉末与HF溶液的质量比为1:20，使用电磁搅拌器水浴加热至20-40°C，浸泡温度保持恒定，浸泡时间为8-10小时,浸泡过程中使用磁子搅拌浸泡溶液,搅拌速度为120-180r/min ;浸泡过程中同时使用超声处理，超声波清洗机功率为240-360W，超声方式为间隔式，即每浸泡一小时，超声lOmin，共计超声60-80min，且超声温度与浸泡温度相同。
[0009](3)用5wt.%NaOH清洗浸泡完毕的原材料至碱性(PH>7)，再用去离子水清洗至中性(PH=7)，然后进行离心处理，倒掉上层清液后放入鼓风干燥机中干燥，干燥温度为80-100°C，干燥时间为 18-24h。
[0010]本发明具有如下优点:
[0011]1、工艺简单设备，条件和缓，重复性好，成本低廉；
[0012]2、所得二维半导体模板材料剥离分层效果好，具有高的比表面积和可调的能带结构，是性能优异的半导体模板材料。
【具体实施方式】:
[0013]实施例1
[0014]本发明提供的一种二维半导体模板材料及其制备方法，其步骤如下:
[0015](1)原材料Ti3SiC2的制备:取钛粉144g、硅粉28g、碳粉24g，以196g无水乙醇作为研磨介质，588g玛瑙珠作研磨体，放入聚氨酯罐中，转速为500r/min，均匀混合24h，置于真空干燥箱中，干燥60h。将混合均匀的原料装入内径20mm,外径50mm的高强度石墨模具中，用千斤顶预压(压力为20MPa)。烧结时用99.9%的氩气保护，烧结压力为30MPa，烧结温度为1500°C，保温3h，保温结束后关闭电源，随炉冷却，得到直径为20mm，厚度约为IOmm的烧结体。在玛瑙研钵中研磨，通过3000目的筛子筛选出粒径等于或小于5μπι的原材料粉末。
[0016](2) 二维半导体模板材料的制备:取上述步骤(1)制备好的原材料粉末2g和40wt.%HF溶液40g，在塑料杯中混合浸泡。通过电磁搅拌器水浴加热，温度为20 V，保温时间为10h，保温过程中使用磁子搅拌，搅拌速率为120r/min，每保温一小时，取出塑料杯，在功率为360W的超声波清洗机中超声lOmin，超声过程保持恒温，水浴温度为20°C，总计超声8次，超声80min。浸泡结束后用5wt.%NaOH清洗上述浸泡完毕的原材料至碱性，再用去离子水清洗至中性(PH=7)，然后再进行离心处理，倒掉上层清液后放入鼓风干燥机中干燥，干燥温度为80°C，干燥时间24h。最终得到所需的二维半导体模板材料Ti3C2(OH)215
[0017]经检测，该材料在300K时的带隙值为0.258eV (见表1)，是性能优异的新型二维半导体模板材料。
[0018]实施例2
[0019](1)原材料Ti2AlN的制备:取钛粉48g、氮化钛粉62g、铝粉27g，以137g无水乙醇作为研磨介质，41 Ig玛瑙珠作研磨体，放入聚氨酯罐中，转速为500r/min，均匀混合24h，置于真空干燥箱中，干燥60h。将混合均匀的原料装入内径20mm,外径50mm的高强度石墨模具中，用千斤顶预压(压力为20MPa)。烧结时用99.9%的氩气保护，烧结压力为30MPa，烧结温度为1600°C，保温2h，保温结束后关闭电源，随炉冷却，得到直径为20mm，厚度约为IOmm的烧结体。在玛瑙研钵中研磨，通过3000目的筛子筛选出粒径等于或小于5μπι的原材料粉末。[0020](2) 二维半导体模板材料的制备:取上述步骤(1)制备好的原材料粉末3g和50wt.%HF溶液60g，在塑料杯中混合浸泡。通过电磁搅拌器水浴加热，温度为40 V，保温时间为8h，保温过程中使用磁子搅拌，搅拌速率为180r/min，每保温一小时，取出塑料杯，在功率为240W的超声波清洗机中超声lOmin，超声过程保持恒温，水浴温度为40°C，总计超声6次，超声60min。浸泡结束后用5wt.%NaOH清洗上述浸泡完毕的原材料至碱性，再用去离子水清洗至中性(PH=7)，然后进行离心处理，倒掉上层清液后放入鼓风干燥机中干燥，干燥温度为100°C，干燥时间18h。最终得到所需的二维=半导体模板材料Ti2N(OH)。
[0021]经检测，该材料在300K时的带隙值为0.220eV (见表1)，是性能优异的新型二维半导体模板材料。
[0022]实施例3
[0023](I)原材料Sc3LiC2的制备:取钪粉135g、锂粉7g、碳粉24g，以166g无水乙醇作为研磨介质，498g玛瑙珠作研磨体,放入聚氨酯罐中，转速为500r/min,均匀混合24h,置于真空干燥箱中，干燥60h。将混合均匀的原料装入内径20mm,外径50mm的高强度石墨模具中，用千斤顶预压(压力为20MPa)。烧结时用99.9%的氩气保护，烧结压力为30MPa，烧结温度为1400°C，保温3h，保温结束后关闭电源，随炉冷却，得到直径为20mm，厚度约为IOmm的烧结体。在玛瑙研钵中研磨，通过3000目的筛子筛选出粒径等于或小于5μπι的原材料粉末。
[0024](2) 二维半导体模板材料的制备:取上述步骤(1)制备好的原材料粉末2g和50wt.%HF溶液40g，在塑料杯中混合浸泡。通过电磁搅拌器水浴加热，温度为30 V，保温时间为9h，保温过程中使用磁子搅拌，搅拌速率为150r/min，每保温一小时，取出塑料杯，在功率为300W的超声波清洗机中超声lOmin，超声过程保持恒温，水浴温度为30°C，总计超声7次，超声70min。浸泡结束后分别用5wt.%NaOH清洗浸泡完毕的原料至碱性，再用去离子水清洗至中性(PH=7)，然后然后进行离心处理，倒掉上层清液后放入鼓风干燥机中干燥，干燥温度为90°C，干燥时间24h。最终得到所需的二维半导体模板材料Sc3C2 (OH)20
[0025]经检测，该材料在300K时的带隙值为0.431eV (见表1)，是性能优异的新型二维半导体模板材料。
[0026]实施例4
[0027](I)原材料Sc3NaB2的制备:取钪粉135g、纳粉23g、硼粉22g，以180g无水乙醇作为研磨介质，540g玛瑙珠作研磨体，放入聚氨酯罐中，转速为500r/min，均匀混合24h，置于真空干燥箱中，干燥60h。将混合均匀的原料装入内径20mm,外径50mm的高强度石墨模具中，用千斤顶预压(压力为20MPa)。烧结时用99.9%的氩气保护，烧结压力为30MPa，烧结温度为1400°C，保温3h，保温结束后关闭电源，随炉冷却，得到直径为20mm，厚度约为IOmm的烧结体。在玛瑙研钵中研磨，通过3000目的筛子筛选出粒径等于或小于5μπι的原材料粉末。
[0028]2) 二维半导体模板材料的制备:取上述步骤(1)制备好的原材料粉末3g和50wt.%HF溶液60g，在塑料杯中混合浸泡。通过电磁搅拌器水浴加热，温度为30 V，保温时间为9h，保温过程中使用磁子搅拌，搅拌速率为150r/min，每保温一小时，取出塑料杯，在功率为300W的超声波清洗机中超声lOmin，超声过程保持恒温，水浴温度为30°C，总计超声6次，超声60min。浸泡结束后分别用5wt.%NaOH清洗浸泡完毕的原料至碱性，再用去离子水清洗至中性(PH=7)，然后然后进行离心处理，倒掉上层清液后放入鼓风干燥机中干燥，干燥温度为80°C，干燥时间24h。最终得到所需的二维半导体模板材料Sc3B2(OH)215
[0029]经检测，该材料在300K时的带隙值为0.286eV (见表1)，是性能优异的新型二维半导体模板材料。
[0030]实施例5
[0031](I)原材料Zr2KN的制备:取锆粉91g、氮化锆粉105g、钾粉39g，以235g无水乙醇作为研磨介质，705g玛瑙珠作研磨体，放入聚氨酯罐中，转速为500r/min，均匀混合24h，置于真空干燥箱中，干燥60h。将混合均匀的原料装入内径20mm,外径50mm的高强度石墨模具中，用千斤顶预压(压力为20MPa )。烧结时用99.9%的氩气保护，烧结压力为30MPa，烧结温度为1600°C，保温2h，保温结束后关闭电源，随炉冷却，得到直径为20臟，厚度约为IOmm的烧结体。在玛瑙研钵中研磨，通过3000目的筛子筛选出粒径等于或小于5μπι的原材料粉末。
[0032]2) 二维半导体模板材料的制备:取上述步骤(1)制备好的原材料粉末2g和60wt.%HF溶液40g，在塑料杯中混合浸泡。通过电磁搅拌器水浴加热，温度为30 V，保温时间为9h，保温过程中使用磁子搅拌，搅拌速率为160r/min，每保温一小时，取出塑料杯，在功率为240W的超声波清洗机中超声lOmin，超声过程保持恒温，水浴温度为30°C，总计超声7次，超声70min。浸泡结束后用5wt.%NaOH清洗浸泡完毕的原料至碱性，再用去离子水清洗至中性(PH=7)，然后进行离心处理，倒掉上层清液后放入鼓风干燥机中干燥，干燥温度为90°C，干燥时间20h。最终得到所需的二维半导体模板材料Zr2N(OH)。
[0033]经检测，该材料在300K时的带隙值为0.337eV (见表1)，是性能优异的新型二维半导体模板材料。
[0034]表1:各实施例所制备的二维半导体模板材料在300K时的带隙值
【权利要求】
1.一种二维半导体模板材料，其特征在于:它的化学分子式为Mn+1Xn(OH)n，其中M为Sc、Ti或Zr，X为B、C或N，η为I或2。
2.上述权利要求1的二维半导体模板材料的制备方法，其特征在于:
(1)制备原材料Μη+1ΑΧη，其中 M 为 Sc、Ti 或 Zr，A 为 L1、Na、Al、Si 或 K，X 为 B、C 或 N，n为1或2，原材料制备方法为烧结后进行球磨处理:以所需的单质粉末或者化合物粉末为原料，以无水乙醇作为研磨介质，玛瑙珠作研磨体，按料:球:乙醇=1:3:1的比例放入聚氨酯罐中，转速为500r/min，均匀混合24h，置于真空干燥箱中，干燥60h ;将混合均匀的原料装入内径20mm,外径50mm的高强度石墨模具中，用千斤顶预压,压力为20MPa ;烧结时用.99.9%的氩气保护，烧结压力为30MPa，烧结温度为1400-1600°C，保温2_3h，保温结束后关闭电源，随炉冷却，得到直径为20mm，厚度约为IOmm的烧结体，将烧结体放入玛瑙研钵中研磨，通过3000目的筛子筛选出粒径等于或小于5μπι的原材料粉末； (2)取上述步骤(1)制备好的原材料粉末浸泡于40-60wt.%HF溶液中，粉末与HF溶液的质量比为1:20，使用电磁搅拌器水浴加热至20-40°C，浸泡温度保持恒定，浸泡时间为8-10小时， 浸泡过程中使用磁子搅拌浸泡溶液，搅拌速度为120-180r/min ;浸泡过程中同时使用超声处理，超声波清洗机功率为240-360W，超声方式为间隔式，即每浸泡一小时，超声lOmin，共计超声60-80min，且超声温度与浸泡温度相同； (3)用5wt.%NaOH清洗浸泡完毕的原材料至碱性，再用去离子水清洗至中性PH=7，然后进行离心处理，倒掉上层清液后放入鼓风干燥机中干燥，干燥温度为80-100°C，干燥时间为18-24h。
【文档编号】C01G1/00GK103848455SQ201410066719
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2014年2月26日 优先权日:2014年2月26日
【发明者】彭秋明, 张庆瑞, 付辉 申请人:燕山大学