[發明專利]一種超薄氮化鈦納米片的制備方法及其產品

有效

• 申請號: 202310114221.0
• 申請日: 2023-02-15
• 公開（公告）號: CN116081583B
• 公開（公告）日: 2023-09-19
• 發明（設計）人: 陳宗平;盧珊
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: C01B21/076
• 分類號: C01B21/076;B82Y40/00
• 代理公司: 杭州知閑專利代理事務所(特殊普通合伙) 33315
• 代理人: 朱朦琪

本發明公開了一種超薄氮化鈦納米片的制備方法，包括：(1)制備氧化鈦納米片，經剝離后得到單層氧化鈦納米片懸浮液；(2)將步驟(1)制備的單層氧化鈦納米片懸浮液涂覆于基底上，置于加熱至700～900℃的反應器中，向反應器中通入反應氣和載氣組成的混合氣，反應氣包括氨氣和氫氣；保溫一段時間后，驟降至室溫得到超薄氮化鈦納米片。該制備方法簡單易行、重復性高、產率高；采用上述方法制備得到的超薄氮化鈦納米片，表面均勻完整沒有明顯的顆粒化，厚度不超過2nm，橫向尺寸大，且表面沒有多余的官能團，利于進一步研究TiN的本征性質與性能。

技術領域

本發明涉及二維MXene材料的技術領域，尤其涉及一種超薄氮化鈦納米片的制備方法及其產品。

背景技術

對于同一種物質，二維結構對比三維塊體具有不同的物理化學性質，尤其當厚度縮減到單原子或幾個原子層厚度時，材料的物理化學性質會發生突變，因此二維超薄結構有利于研究材料的本征性能。并且二維材料因具有大比表面積，平整的表面，大量暴露的活性位點使其在光電子器件、儲能和能源轉換等領域都有著廣泛的應用。然而目前大多數針對二維材料的研究都局限于本征二維層狀材料，這是由于非層狀超薄材料的二維結構制備對于目前來說仍然是一項很大的挑戰。雖然對于過渡金屬氮化物這種非層狀二維材料已經有MXene等相對成熟的二維超薄結構，但是MXene仍具有以下缺點導致無法對其進行更深入的本征研究以及后續應用：(1)MXene橫向尺寸較小，通常小于2微米；(2)MXene表面有大量的基團，例如-F，-OH，-Cl等，且無法去除，這些基團對于MXene本征的物理化學性質包括導電性、光學性質等又有很大的影響；(3)MXene制備方法復雜，通常需要用到多種有毒危險試劑，極不環保，且產量較低。

氮化鈦作為過渡金屬氮化物的一種，具有很好的導電性和優良的光學性質。氮化鈦具有NaCl結構，由共價鍵、離子鍵和金屬鍵構成。氮化鈦的共價鍵使其具有很好的機械性能，離子鍵和金屬鍵使TiN具有區別于傳統金屬導電性的半金屬性。氮化鈦薄膜廣泛用于微電子器件的擴散阻擋層、金屬氧化物場效應晶體管的柵電極、太陽能電池的光學涂層以及其他保護層。TiN薄膜對于n型GaN的歐姆接觸同樣具有重要的應用。因此高產量的制備高質量的超薄TiN納米片對于進一步擴大TiN在這些領域的應用具有重要的意義。除此之外，氮化鈦通常表現出較好的導電性，但其本征性能為半導體性，但對于較厚的氮化鈦通常無法表現出其本征的半導體性。因此為了進一步研究TiN的本征性質與性能，原子層厚度的超薄氮化鈦納米片制備的技術難題亟待解決。但如前述，由于TiN本征屬于三維結構，無層間距的存在，因此無法通過傳統的方法實現剝離。通過剝離MAX相可以制得氮化鈦納米片，但該方法僅能用于制備Ti₂N或Ti₄N₃納米片，其中MAX相的Ti₂AlN和Ti₄AlN₃的制備非常困難，并且無法制備超薄TiN納米片，且納米片的厚度僅能達到～2nm，與此同時，MXene材料主要通過濕化學方法剝離得到，因此，表面缺陷、官能團和不完全反應的產物是無可避免的，而這些大量的缺陷，官能團等的存在極度影響其后續應用以及本征性能測試，尤其影響其在光電領域的應用。

申請公布號為CN?108546929?A的中國專利文獻中公開了一種在基片表面制備氮化鈦納米薄膜的方法，包括：將基片經預真空室傳送至反應腔中，給反應腔抽真空；向反應腔中通入惰性氣體，對基片進行退火處理；將退火處理后的基片退回真空室，采用氨氣等離子體和氣態鈦源對反應腔進行若干次洗氣循環，將基片送回反應腔，保持反應腔溫度為150～220℃，采用氨氣等離子體和鈦源進行等離子體增強氮化鈦原子層沉積反應，得到產物。采用該方法制備得到的氮化鈦納米薄膜厚度最低可達1nm。但根據該文獻中給出的薄膜的AFM表征可知，該薄膜并非為微觀連續晶胞形成的超薄納米片，仍為極微小的顆粒連接而成的膜，并非整體連續結構，因此表面也比較粗糙，在小范圍內就會存在相當多的孔洞等，除此之外，該方法制備的樣品通常結晶性都比較差。而且由于該膜并非連續晶胞的完整納米片結構，還是分散結構，仍然不能解決氮化鈦本征的物理化學性質的研究問題。

發明內容