[發明專利]具有鐵磁性B摻雜g-C3N4二維超薄納米片的制備方法

有效

• 申請號: 201610359372.2
• 申請日: 2016-05-27
• 公開（公告）號: CN106006583B
• 公開（公告）日: 2018-04-24
• 發明（設計）人: 高大強;劉永剛
• 申請（專利權）人: 蘭州大學
• 主分類號: C01B21/06
• 分類號: C01B21/06
• 代理公司: 甘肅省知識產權事務中心62100
• 代理人: 孫惠娜

技術領域

本發明屬于自旋電子學材料制備技術領域，具體涉及一種具有室溫鐵磁性B摻雜g-C₃N₄二維超薄納米片的制備方法。

背景技術

近年來，石墨烯由于其優異的光電性能吸引了人們的廣泛關注。研究表明具有鋸齒形邊緣的石墨烯納米帶表現出室溫的鐵磁性，在未來的自旋電子器件方面有潛在的應用。這一發現為尋找下一代自旋電子學材料開辟了新的方向。然而，由于石墨烯的零帶隙及實驗上實現其鐵磁性的苛刻條件（要提供很高的面內電場）限制了其在自旋電子學方面的進一步應用。因此，人們在研究如何解決應用石墨烯材料所遇到的困難的同時，希望能夠找到其它的類石墨烯替代材料來實現其在自旋電子學方面的應用。類石墨烯結構的氮化碳（g-C₃N₄）便是這樣一種材料。在之前的一段時間里人們對g-C₃N₄的光催化性質進行了廣泛的研究，而其鐵磁性鮮有人研究。在室溫下完美的g-C₃N₄不表現出鐵磁性，這阻礙了其在自旋電子學器件中的進一步發展。幸運的是g-C₃N₄具有獨特的多介孔結構使其能夠很容易的引入外來原子，而化學摻雜是一種改變材料結構和引入磁性非常有效的方法。其實已經有研究者通過理論計算證明有很多方法可以在g-C₃N₄中引入磁性。例如，缺陷、氫化（Huanhuan, Qiu., Zhijun, Wang. & Xianlei, Sheng. Ferromagnetism and antiferromagnetism in hydrogenated g-C₃N₄ : A first-principles study. Phys. B. 421, 46-49 (2013)）、氟化等。最近，Meng 等人認為在三嗪結構g-C₃N₄的三嗪環中間摻雜非金屬的B原子會使其表現出鐵磁有序（Bo, Meng et al. Half-metallic and magnetic properties in nonmagnetic element embedded graphitic carbon nitride sheets. Phys. Chem. Chem. Phys. 17, 22136--22143 (2015)）。但是，這種理論上的理想情況在實驗上實現是非常困難的，到目前為止也缺乏直接的實驗證據來支持這些理論預測。由于B摻雜的g-C₃N₄納米材料中只具有s/p電子，如果能夠在實驗上實現其鐵磁性，則其弱的自旋-軌道耦合和長的自旋弛豫時間會為自旋的輸運提供便利。因此，如何從實驗室制備B摻雜的g-C₃N₄納米材料并研究其鐵磁行為是進一步實現其在自旋電子學器件中應用的前提。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是針對現有技術中的缺點而提供一種制備具有室溫以上鐵磁性B摻雜g-C₃N₄二維超薄納米片的方法，解決在半導體中由于電導失配和鐵磁金屬自旋極化率不高引起的極化電子注入率不高的問題，制備的B摻雜g-C₃N₄二維超薄納米片具有鐵磁性，且居里溫度高于室溫。

為解決本發明的技術問題采用如下技術方案：

一種具有鐵磁性B摻雜g-C₃N₄二維超薄納米片的制備方法，具體工藝為：

a)將三聚氰胺與氧化硼加入到酒精中，攪拌至氧化硼完全溶解，所述三聚氰胺與氧化硼的質量比為80 : 1-4；

b)將溶液放在80-100攝氏度的烘箱中蒸干得到充分混合的三聚氰胺與氧化硼前驅物，將前驅物研磨成粉；

c)將研磨成粉的前驅物放入瓷舟中，在管式爐氬氣環境中從室溫升溫至500-550攝氏度，在500-550攝氏度保溫2小時后升至600-650攝氏度，在600-650攝氏度保溫2-4小時，關閉電源使其自然冷卻至室溫；

d)將產物取出用酒精清洗以去除未反應的氧化硼粉末，然后在水溶液中超聲，超聲1-10小時對樣品進行剝離，最終得到B摻雜g-C₃N₄二維超薄納米片。

所述步驟a中三聚氰胺與酒精的比為0.05-0.2g/ml。