本發(fā)明屬于納米材料，涉及一種過渡金屬原子摻雜二維氧化鉍納米片的制備方法。

背景技術(shù)：

1、以石墨烯為代表的二維材料，例如氮化硼(h-nb)、過渡金屬硫?qū)倩?tmdcs)、黑磷(bp)、硒化銦(inse)、鉍氧硒(bi2o2se)等二維材料，具有豐富的一系列物理化學(xué)特性，包括原子級厚度、可調(diào)的能帶帶隙、表面無懸掛鍵、超高載流子遷移率和優(yōu)異的靜電可調(diào)諧性等優(yōu)點，被認(rèn)為是后摩爾時代延續(xù)硅基在亞10納米半導(dǎo)體制程最有潛力的溝道材料之一。二維金屬氧化物半導(dǎo)體材料被發(fā)現(xiàn)能同時具備高電子空穴載流子遷移特性和超高的空氣穩(wěn)定性，成為最近二維半導(dǎo)體材料研究領(lǐng)域的熱點方向之一。其中，以bi2o3為代表的金屬氧化物半導(dǎo)體材料，具有優(yōu)異的物理化學(xué)性能、電學(xué)性能、高空氣穩(wěn)定性且制備簡單，主要應(yīng)用于光電、催化和能源領(lǐng)域。而過渡金屬摻雜bi2o3在二維晶體管電子學(xué)的應(yīng)用依舊稀缺，因此開發(fā)高性能過渡金屬原子摻雜的二維bi2o3半導(dǎo)體材料對將來應(yīng)用于電子器件具有重要意義。

2、研究人員主要采用溶液沉淀、微波輔助、熱蒸發(fā)沉積、原子層沉積(ald)、液態(tài)金屬剝離和cvd等方法制備了bi2o3的零維納米顆粒、一維納米線、一維納米棒、一維納米勾、三維納米花等形貌，且研究了其在光催化、太陽能電池等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用。上述bi2o3材料無法獲得二維尺度高結(jié)晶質(zhì)量的bi2o3晶體，無法拓展其在二維晶體管器件領(lǐng)域的研究應(yīng)用，限制了其在電子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。文獻(xiàn)1采用原子層沉積(ald)技術(shù)制備bi2o3薄膜，這種方法制備的bi2o3薄膜結(jié)晶性較差，設(shè)備昂貴，不適合大規(guī)模制備氧化鉍納米片(y.d.shen,y.w.li,w.m.li,j.z.zhang,z.g.hu,and?j.h.chu，growth?of?bi2o3?ultrathin?films?by?atomiclayer?deposition，j.phys.chem.c,2012,116,3449-3456)。文獻(xiàn)2采用水熱法合成了v摻雜的bi2o3三維納米花結(jié)構(gòu)，這種方法制備的氧化鉍應(yīng)用于二氧化碳的還原，不適用于電子器件的應(yīng)用(zhang?g,zheng?x,cui?x,et?al.doping?of?vanadium?into?bismuth?oxidenanoparticles?for?electrocatalytic?co2reduction[j].acs?applied?nanomaterials,2022,5(10):15465-72)。文獻(xiàn)3采用共沉淀法制備了sm摻雜bi2o3納米顆粒，該方法制備的樣品具有針狀形貌，結(jié)晶性不好，僅僅作為溫光光源使用，缺乏電子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用(divyaj,shivaramu?n?j,roos?w?d,etal.synthesis,surface?and?photoluminescenceproperties?of?sm3+dopedα-bi2o3[j].journal?of?alloys?and?compounds,2021,854:157221)。

3、到目前為止，通過cvd方法制備過渡金屬原子摻雜bi2o3的二維半導(dǎo)體材料還未見報道。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種過渡金屬原子摻雜二維氧化鉍納米片的制備方法。

2、實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案如下：

3、過渡金屬原子摻雜二維氧化鉍納米片的制備方法，包括以下步驟：

4、將二維單層過渡金屬硫化物或過渡金屬硒化物放置于耐高溫石英板上，裝載置于第二溫區(qū)，將bi2o3粉末和nacl顆粒放入石英舟中均勻混合后作為前驅(qū)體粉末置于第一溫區(qū)，通入氬氣排除管內(nèi)殘留空氣，將第一溫區(qū)升溫至840～870℃，保溫10～60min，第二溫區(qū)升溫至400～550℃，保溫10～60min，同時通入ar和o2的混合氣體，ar:o2的流速比為140～200sccm:1～60sccm，且o2通入量不為0，調(diào)節(jié)管式爐腔內(nèi)氣壓為100～200pa，將第一溫區(qū)揮發(fā)擴散的前驅(qū)體粉末氣相傳輸至第二溫區(qū)，產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)并重新形核生長，得到過渡金屬原子摻雜二維氧化鉍納米片。

5、本發(fā)明所述的過渡金屬原子為鎢(w)、鉬(mo)、釩(v)、鉻(cr)、鐵(fe)、鈷(co)、鎳(ni)、銅(cu)、鈮(nb)、鈀(pd)、鎘(cd)等過渡金屬原子，在本發(fā)明具體實施方式中，以w、mo為代表例。

6、優(yōu)選的，過渡金屬硫化物為ws2或mos2，過渡金屬硒化物為wse2或mose2。

7、優(yōu)選的，bi2o3粉末和nacl顆粒的質(zhì)量比為100～200mg：0.5～3mg。

8、優(yōu)選的，第一溫區(qū)升溫至850℃，保溫時間為20min；第二溫區(qū)升溫至450℃，保溫時間為20min。

9、優(yōu)選的，升溫速率為20℃/min。

10、優(yōu)選的，ar:o2的流速比為120sccm:30sccm。

11、優(yōu)選的，調(diào)節(jié)管式爐腔內(nèi)氣壓為150pa。

12、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

13、本發(fā)明制備方法簡單，首次制備出了高質(zhì)量的二維矩形納米片，最大尺寸可達(dá)到60μm，最薄厚度低至1nm。本發(fā)明制備的過渡金屬原子摻雜的氧化鉍納米片具有形核密度大、穩(wěn)定性佳、厚度及尺寸可控、結(jié)晶性良好等優(yōu)點，不僅豐富了二維半導(dǎo)體納米材料家族，而且為其在二維晶體管器件的應(yīng)用研究提供了材料支撐，有望促進(jìn)過渡金屬原子摻雜bi2o3半導(dǎo)體材料在電子、光電等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

技術(shù)特征：

1.過渡金屬原子摻雜二維氧化鉍納米片的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，過渡金屬原子為鎢、鉬、釩、鉻、鐵、鈷、鎳、銅、鈮、鈀或鎘。

3.?根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，過渡金屬硫化物為ws2或mos2，過渡金屬硒化物為?wse2或mose2。

4.?根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，bi2o3粉末和nacl顆粒的質(zhì)量比為100~200?mg：0.5~3?mg。

5.?根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，第一溫區(qū)升溫至850?℃，保溫時間為20?min；第二溫區(qū)升溫至450?℃，保溫時間為20?min。

6.?根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，升溫速率為20?℃/min。

7.?根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，ar:o2的流速比為120?sccm:30?sccm。

8.?根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，調(diào)節(jié)管式爐腔內(nèi)氣壓為150?pa。

9.根據(jù)權(quán)利要求1~8任一所述的制備方法制得的過渡金屬原子摻雜二維氧化鉍納米片。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種過渡金屬原子摻雜二維氧化鉍納米片的制備方法。所述方法以二維單層過渡金屬硫化物或過渡金屬硒化物作為母體材料，將Bi<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;粉末和NaCl顆粒均勻混合放入石英舟中置于雙溫區(qū)CVD管式爐中第一溫區(qū)，將生長有二維單層過渡金屬硫化物或過渡金屬硒化物的藍(lán)寶石襯底放置在第二溫區(qū)，使用混合載氣Ar/O<subgt;2</subgt;，通過調(diào)控升溫速率、保溫時間、壓強、總載氣流量，得到不同形貌和厚度的過渡金屬原子摻雜二維氧化鉍納米片。本發(fā)明方法制得的過渡金屬原子摻雜二維氧化鉍納米片的厚度和尺寸可調(diào)控，且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，適用于開發(fā)高性能過渡金屬原子摻雜的二維Bi<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;半導(dǎo)體材料并應(yīng)用于電子器件。

技術(shù)研發(fā)人員：陳翔,李林蕓,熊云海,劉本強,趙桐,吳林祥
受保護(hù)的技術(shù)使用者：南京理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/5