一种大尺寸超薄硒化铋纳米片的制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种大尺寸超薄硒化铋（Bi2Se3）纳米片的制备方法—气相传输法，其制备工艺包括以下几步：1）按2:3的摩尔比称取一定量的铋粉和硒粉，清洗好Si/SiO2衬底、石英管，并将衬底用耐高温胶粘附在石英块上；2）在石英管一端放入原料铋粉和硒粉，另一端垂直放入Si/SiO2衬底，将石英管抽真空，密封；3）将石英管放入高真空管式炉中，按一定加热速率，在设定温度下保温一定时间后，随炉冷却；4）取出并切开石英管，得到长有Bi2Se3纳米片的Si/SiO2衬底。由于本方法以高纯度的铋粉和硒粉为原料，且在高温高真空状态下合成，因此得到的Bi2Se3纳米片结晶性好、纯度高，在光电子器件、热电冷凝装置等领域具有广阔的应用前景。
【专利说明】一种大尺寸超薄砸化铋纳米片的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及Bi2Se3制备方法，是一种大尺寸超薄硒化铋Bi2Se3纳米片制备方法。【背景技术】
[0002]Bi2Se3具有辉締秘矿型结构，属于六方晶系，是一种表面导电内部绝缘的新型拓扑绝缘体材料，具有优良的光电性能、热电性能和整流效应，被广泛应用于光电子器件和热电冷凝装置。Bi2Se3具有石墨烯一样的层状结构，它是由被称为quintuple的一个个结构单元组成，每个quintuple结构单元包含5个原子，由共价键连接，排列方式如下:Se-B1-Se-B1-Se, quintuple之间由范德华力连接，因此很容易沿层间解离，生成片状结构。理论计算与实验研究表明，低维拓扑绝缘体具有更高的热电优值，因此，制备具有大比表面积的Bi2Se3纳米片、纳米线、纳米管成为近年来研究的热点领域。
[0003]目前报道的制备Bi2Se3纳米片的方法很多，主要有湿化学法(水热法、溶剂热法)、化学浴沉积(CBD )、分子束外延法(MBE )、化学气相沉积(CVD )、机械剥离。但这些方法制得的纳米片一般尺寸较小，且厚度较大，并且有的均匀性差，杂相多，应用于纳米器件时受到限制。气相传输法是一种有效的制备大尺寸超薄Bi2Se3纳米片的方法，它制备的纳米片不仅尺寸大、厚度小，而且结晶性好，相纯度高，尤其适用于制备纳米器件。作者首次探索成功了在真空石英管中，利用气相传输法，制备大尺寸超薄Bi2Se3纳米片。
【发明内容】
[0004]技术问题:本发明的目的是提供一种大尺寸超薄硒化铋Bi2Se3纳米片制备方法，该方法简单可靠，工 艺重复性好，可操作性强。
[0005]技术方案:本发明的大尺寸超薄硒化铋Bi2Se3纳米片制备方法，采用气相传输法制备，包括如下步骤:
[0006]步骤1、按(1.9~2.1): (2.9~3.1)的摩尔比称取铋粉和硒粉，清洗好Si/Si02衬底、石英管，并将衬底用耐高温胶粘附在石英块上；
[0007]步骤2、在石英管一端即原料端放入步骤I得到的铋粉和硒粉，另一端垂直放入步骤I得到的Si/Si02衬底，将石英管抽真空，密封；
[0008]步骤3、将步骤2得到的石英管放入高真空管式炉中加热，在设定温度下保温后，随炉冷却；
[0009]步骤4、取出步骤3得到的石英管，并用金刚石切割机切开，得到长有大尺寸超薄硒化铋Bi2Se3纳米片的Si/Si02衬底。
[0010]步骤2中所述石英管的内径为8~IOmm,长13~15cm, Si/Si02片直径7mm~8mm ο
[0011]步骤2中所述石英管内的真空度要求P≤10_3Pa ;石英管用乙炔火焰密封，在刚抽完真空时立即密封。
[0012]在石英管放入高真空管式炉中时，所述原料端温度为600~800°C，Si/Si02衬底端温度为300~400°C。
[0013] 步骤3中所述加热的速率为10~15°C /min，保温时间为24h，随炉冷却。
[0014]本发明的机理分析:
[0015]真空中，在高温条件下:
[0016]Bi (g) +Se (g) — Bi2Se3(S)
[0017]其中铋粉作为Bi源，硒粉作为Se源，铋粉和硒粉在高温下升华为Bi蒸汽和Se蒸汽，传输到温度较低的衬底端，反应结晶成Bi2Se3纳米片。
[0018]有益效果:
[0019]1、本发明采用气相传输法，制备大尺寸超薄Bi2Se3纳米片，所用原材料较易获得且成本较低，工艺流程简单，简单可靠，重复性好，可操作性强。
[0020]2、本发明采用的方法所制备的纳米片尺寸大，厚度小，结晶性好，相纯度高，尤其适用于制备纳米器件。
【具体实施方式】
[0021]下面结合实施例对本发明做更进一步的解释。下列实施例仅用于说明本发明，但并不用来限定发明的实施范围。
[0022]一种大尺寸超薄Bi2Se3纳米片的制备方法，采用气相传输法制备，包括如下步骤:
[0023]步骤1、按2:3的摩尔比称取一定量的铋粉和硒粉，清洗好Si/Si02衬底、石英管，并将衬底用耐高温胶粘附在石英块上；
[0024]步骤2、在石英管一端放入步骤I得到的铋粉和硒粉，另一端垂直放入步骤I得到的Si/Si02衬底，将石英管抽真空，密封；
[0025]步骤3、将步骤2得到的石英管放入高真空管式炉中，按一定加热速率，在设定温度下保温一定时间后、随炉冷却；
[0026]步骤4、取出步骤3得到的石英管，并用金刚石切割机切开，得到长有大尺寸超薄Bi2Se3纳米片的Si/Si02衬底。
[0027]本发明使用的铋粉和硒粉、石英管、Si/Si02片只要是合格工业品不限于厂家，为市售常规产品。以下实施例中，铋粉和硒粉均购自于国药试剂，石英管订购于连云港市瑞昊石英制品有限公司，Si/Si02片购自于苏州锐材半导体有限公司。
[0028]实施例1
[0029]步骤1、称取铋粉 0.2mmoI (0.0418g)，硒粉 0.3mmol (0.0237g)。分别用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗石英管、Si/Si02衬底5min，并将衬底用耐高温胶粘附在石英块上；
[0030]步骤2、在石英管一端放入铋粉和硒粉，另一端垂直放入Si/Si02衬底，用分子泵将石英管抽真空，抽完后立即用乙炔火焰密封；
[0031]步骤3、将密封的石英管放入高真空管式炉中，原料端温度设为700°C，衬底端温度设为350°C，加热速率10~15°C /min，保温24h，随炉冷却；
[0032]步骤4、取出烧制好的石英管，并用金刚石切割机切开，得到长有大尺寸超薄Bi2Se3纳米片的Si/Si02衬底。
[0033]本发明实施例1所得样品的X射线衍射图谱的衍射峰与Bi2Se3标准峰基本一致。
(006)和(0，0，15)两个峰的强度很高，相比之下，其余的衍射峰基本可以忽略，说明样品衍射峰基本是(OOl)方向的，也就是得到的Bi2Se3纳米片均是(001)取向。
[0034]本发明实施例1所得样品的原子力显微图像及剖面高度图，可以看出，Bi2Se3纳米片的厚度为5~6nm,很薄。
[0035]本发明实施例1所得样品的扫描电子显微图像，可以看出，Bi2Se3m米片的水平尺寸为15~30um，尺寸很大，适用于微加工。另外可以看出Bi2Se3纳米片是透明的，也可以说明Bi2Se3纳米片很薄。
[0036]实施例2
[0037]本实施例与实施例1不同的是，步骤3中原料端温度为600°C，衬底端温度设为350°C，其他与实施例1相同。
[0038]实施例3
[0039]本实施例与实施例1不同的是，步骤3中原料端温度为800°C，衬底端温度设为350°C，其他与实施例1相同。
[0040]实施例4
[0041]本实施例与实施例1不同的是，步骤3中原料端温度为700°C，衬底端温度设为300°C，其他与实施例1相同。
[0042]实施例5
[0043]本实施例与实施例1不同的是，步`骤3中原料端温度为700°C，衬底端温度设为400°C，其他与实施例1相同。
[0044]实施例6
[0045]本实施例与实施例1不同的是，步骤3中冷却方式为取出石英管空冷，其他与实施例I相同。
【权利要求】
1.一种大尺寸超薄硒化铋纳米片的制备方法，其特征在于，采用气相传输法制备，包括如下步骤: 步骤1、按(1.9~2.1): (2.9~3.1)的摩尔比称取铋粉和硒粉，清洗好Si/Si02衬底、石英管，并将衬底用耐高温胶粘附在石英块上； 步骤2、在石英管一端即原料端放入步骤I得到的铋粉和硒粉，另一端垂直放入步骤I得到的Si/Si02衬底，将石英管抽真空，密封； 步骤3、将步骤2得到的石英管放入高真空管式炉中加热，在设定温度下保温后，随炉冷却； 步骤4、取出步骤3得到的石英管，并用金刚石切割机切开，得到长有大尺寸超薄硒化铋Bi2Se3纳米片的Si/Si02衬底。
2.根据权利要求1所述大尺寸超薄硒化铋纳米片的制备方法，其特征在于，步骤2中所述石英管的内径为8~IOmm,长13~15cm, Si/Si02片直径7_~8_。
3.根据权利要求1所述大尺寸超薄硒化铋纳米片的制备方法，其特征在于，步骤2中所述石英管内的真空度要求P < 10_3Pa ;石英管用乙炔火焰密封，在刚抽完真空时立即密封。
4.根据权利要求1所述大尺寸超薄硒化铋纳米片的制备方法，其特征在于，在石英管放入高真空管式炉中时，所述原料端温度为600~800°C，Si/Si02衬底端温度为300~400。。。
5.根据权利要求1所述大尺寸超薄硒化铋纳米片的制备方法，其特征在于，步骤3中所述加热的速率为10~15°C /min，保温时间为24h，随炉冷却。
【文档编号】B82Y40/00GK103641079SQ201310496510
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年10月21日 优先权日:2013年10月21日
【发明者】王增梅, 李小帅, 朱鸣芳 申请人:东南大学