[發明專利]一種厚度可控的二維黑砷納米片及其制備方法

有效

• 申請號: 202210175270.0
• 申請日: 2022-02-25
• 公開（公告）號: CN114538509B
• 公開（公告）日: 2022-12-20
• 發明（設計）人: 陳亞彬;杜國帥;張晶晶
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: C01G28/00
• 分類號: C01G28/00;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 成都方圓聿聯專利代理事務所(普通合伙) 51241
• 代理人: 鄧永紅

本發明提供了一種厚度可控的二維黑砷納米片及其制備方法。所述制備方法主要通過高溫刻蝕實現。其特征在于，所述制備方法包括：通過機械剝離法在柔性的第一基底上制備得到厚度隨機的黑砷納米片并將其轉移至硬質的第二基底上；將帶有所述第二基底的黑砷納米片在管式加熱裝置中進行與空氣持續接觸的恒溫加熱刻蝕，所述加熱的溫度高于100℃、小于320℃；完成所述刻蝕后，自然降溫，獲得所述厚度可控的二維黑砷納米片。本發明可簡單、快速、有效地實現二維黑砷納米片的厚度可控制備。

技術領域

本發明屬于二維納米材料技術領域，涉及一種厚度可控的二維黑砷納米片及其制備方法。

背景技術

二維層狀材料具有原子層級別的厚度，層內通過化學鍵相連接，層間通過微弱的范德華作用力結合。作為一種表面沒有懸掛鍵的原子級平整材料，二維層狀半導體一直被認為是可以延續摩爾定律的下一代半導體材料。本征零帶隙的特點使得石墨烯無法成為半導體溝道材料。相比而言，過渡金屬硫族化合物是一種天然對稱性破缺的材料，其帶隙隨著層數的改變而改變，但在實際器件性能方面，其較低的載流子遷移率使得它無法成為理想的半導體溝道材料。此外，黑磷雖然帶隙可調、載流子遷移率高，但其在環境中不穩定的特性使其實際應用也非常困難。

近年來，研究者們在天然的礦石中發現了一種新的二維層狀半導體材料—黑砷。理論和實驗表明，黑砷是一種兼具帶隙可調、載流子遷移率高和環境穩定等性能的層狀半導體材料，是下一代半導體溝道材料的有力候選者。

同其他的二維材料類似，黑砷材料的性質也隨著層數的變化而發生改變。因此，為了充分開發和利用黑砷材料，首先需要實現材料的厚度可控制備。目前，二維黑砷納米片基本上都是采用機械剝離的方法得到的，限制于工藝手段，這種方法得到的二維黑砷納米片的厚度是無法有效控制的。一些其他的可行方法如利用二維材料層內和層間熱傳導系數的巨大差異(約10倍)，通過脈沖激光加熱的方法對樣品進行處理，使得樣品逐層升華，從而達到減薄樣品的目的。然而，該方法比較依賴于激光光斑的大小(直徑約1cm)和質量，且無法同時處理多個樣品。同時，對于黑砷材料而言，其升華溫度(約320℃)遠高于其與空氣中其他物質反應的溫度，黑砷在高溫下會先反應后分解。因此，要想實現黑砷材料的高溫刻蝕，必須嚴格的控制溫度和加熱時間，但對于高能激光而言，嚴格控制激光加熱的溫度和時間是非常困難的。

發明內容

本發明提出了一種厚度可控的二維黑砷納米片的制備方法。該方法利用高溫刻蝕的手段，通過常規的管式加熱裝置如管式爐對樣品施加高溫，改變材料的表面活性，使其發生反應并升華，從而實現黑砷納米片的減薄，本發明通過嚴格控制高溫刻蝕的溫度和時間，可以實現對材料厚度可控的減薄，一切操作均在大氣環境中進行，可簡單、快速、有效地實現二維黑砷納米片的厚度可控制備，且可以同時制備多個產品。

一種厚度可控的二維黑砷納米片的制備方法，其包括：

(1)通過機械剝離法在第一基底上制備得到厚度隨機的黑砷納米片；

(2)將所述厚度隨機的黑砷納米片自所述第一基底上轉移至第二基底上；

(3)將位于所述第二基底上的黑砷納米片在管式加熱裝置中進行與空氣持續接觸的恒溫加熱刻蝕，所述加熱的溫度高于100℃、小于320℃；

(4)完成所述刻蝕后，自然降溫，獲得所述厚度可控的二維黑砷納米片；

其中，所述第一基底為柔性基底，所述第二基底為硬質基底。

根據本發明的一些優選實施方式，所述恒溫加熱刻蝕中，加熱溫度每增加50℃，刻蝕速率增加10nm/h；

根據本發明的一些優選實施方式，所述恒溫加熱刻蝕中，升溫至恒溫的速率為150～200℃/h。

根據本發明的一些優選實施方式，所述刻蝕時間根據所述厚度隨機的黑砷納米片的初始厚度及其目標厚度確定。