[發明專利]超薄納米片半導體材料及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201210567629.5
• 申請日: 2012-12-24
• 公開（公告）號: CN103896222A
• 公開（公告）日: 2014-07-02
• 發明（設計）人: 楊晴;周俊;周曉麗;王文亮;陸亞林
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: C01B19/04
• 分類號: C01B19/04;B82Y30/00
• 代理公司: 北京維澳專利代理有限公司 11252
• 代理人: 馬佑平

技術領域

本發明涉及固體無機材料制備領域，特別涉及超薄納米片半導體材料及其制備方法和應用。

背景技術

超薄納米片半導體材料是一種重要的熱電材料，它在光學、光電子科學及其器件，以及能源轉換與利用等方面有著重要的應用前景，例如超薄的Bi₂Se₃和Bi₂Te₃等半導體材料具有比同類塊材材料更大的熱電轉換效率，并且還可以形成二維拓撲絕緣體，且當超薄的Bi₂Se₃和Bi₂Te₃等半導體材料與TaSe₂和TaTe₂形成超格子結構時還可以形成具有較高臨界溫度的超導體。

近年來，人們發現超薄納米片半導體材料除了具有出眾的熱電效應，還顯示出良好的光熱效應。在光照條件下，超薄納米片半導體材料有電子吸收和晶格振動吸收兩種吸收機制，還存在著受熱激發效應影響而形成的自由載流子吸收機制，且該載流子吸收會隨著波長和載流子密度的改變而發生變化。同時，在光波的作用下，超薄納米片半導體材料還會發生電子極化、離子極化、固有偶極子的取向極化和界面極化等現象，這些極化在一定的條件下又可以發生復合而生熱，實現光熱轉換。

常用的半導體材料的合成方法可分為固相法、水熱溶劑法以及高溫氣相法。固相法合成半導體材料的主要手段是將合成原料按照一定計量比密封于石英管中，然后在馬弗爐中高溫煅燒而成。此方法的特點是反應快，易于大量制備，其缺點是制備出的半導體材料的尺寸大，常為宏觀塊材而沒有微觀納米尺寸效應。水熱溶劑法主要操作手段是在水或其它溶劑中添加合成原料，然后在反應釜中通過水熱或者溶劑熱反應得到納米尺度的半導體材料。該方法較為簡便，且能制備出多種形貌的納米級半導體材料，其不足在于所合成的納米材料的厚度都至少為幾十納米。高溫氣相法包括氣相沉積和分子束外延等方法，其優點在于能夠合成厚度極低的超薄納米片半導體材料，然而其缺點在于超薄納米片結構的半導體材料的產率非常低，而且合成所需要的設備和條件甚為復雜，且投入高昂。

發明內容

本發明是為了克服上述現有技術中存在的缺陷提出的，其所解決的技術問題是提供一種制備簡便的超薄納米片半導體材料，及其制備方法和應用。

為此，本發明提供了一種超薄納米片半導體材料的制備方法，其包括如下步驟：

（1）將第一高沸點有機溶劑加熱，得到第一溶液；

（2）將A的前驅源A_nB_m和R的前驅源R_jV_k在第二高沸點有機溶劑中加熱溶解，得到第二溶液，其中A為金屬元素Bi、Mo、W、Sb及Cu中的一種，B為苯基、羰基、環戊二烯基、乙酰丙酮、硝酸根及鹵族元素Cl和Br中的一種，R為氧族元素S、Se及Te中的一種，V為苯基或芐基，n=1，1≤m≤6，1≤j≤2，k=2；

（3）將所述第一溶液和所述第二溶液混合后攪拌并保溫一段時間，即得到超薄納米片半導體材料。

優選地，所述步驟（1）中加熱的溫度為200～320℃，且在加熱的過程中在惰性氣體保護下攪拌所述第一高沸點有機溶劑。

優選地，所述第一高沸點有機溶劑為油胺、油酸、二芐胺、二芐醚、十八烯和二異辛胺中的一種或幾種。

優選地，所述第二溶液中A的前驅源的濃度為0.01～1mol/L，所述第二溶液中R的前驅源的濃度為0.02～2mol/L。

優選地，所述第二高沸點有機溶劑為油胺、油酸、二芐胺、二芐醚、十八烯和二異辛胺中的一種或幾種。

優選地，所述步驟（2）中加熱的溫度為50～200℃，且在加熱的過程中在惰性氣體保護下攪拌所述第二高沸點有機溶劑。

優選地，所述第一高沸點有機溶劑和所述第二高沸點有機溶劑的體積比為3～50:1。

優選地，所述步驟（3）中保溫的溫度為200～320℃，攪拌的時間為1～180min。

本發明還提供一種由上述任一項所述方法制備的超薄納米片半導體材料，所述超薄納米片半導體材料的厚度為1～50nm。

本發明進一步提供了上述超薄納米片半導體材料在半導體器件、太陽能電池或太陽能集熱裝置中的應用。