一种具有层状结构的化合物晶体定向生长的方法技术

本发明专利技术公开了一种具有层状结构的化合物晶体定向生长的方法，所述方法是一种非化学方法，可批量制备定向生长的具有层状结构的硫族化合物Ⅴ2Ⅵ3（Ⅴ=Sb,Bi;Ⅵ=S,Se,Te）晶体。即借助玻璃光纤拉丝的方法，将晶体化合物前躯体填充到玻璃管中，然后拉丝。在拉丝过程中，包层玻璃处于粘弹性状态；晶体前躯体处于熔融状态。随着包层玻璃从熔融态快速冷却至室温，然后将包层玻璃用合适的酸溶液腐蚀掉，即得到沿光纤轴向方向定向生长的具有层状结构的硫族化合物晶体。本方法适用性广，尺寸可控，产率高，成本低，且无副产品污染环境。制备的定向生长的硫族化合物晶体微米线有望应用于径向结太阳能电池和热电转换三维的微型器件。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于材料
，具体涉及一种具有层状结构的化合物晶体定向生长的方法。
技术介绍
随着可开发性能源的日益减少，煤、天然气、石油开采及加工引起的环境污染日趋严重，为此开发清洁的新能源迫在眉睫。太阳能电池材料可以把太阳能直接转换成电能，热电材料具有热、电直接转换的独特性能，这些都有望解决日益严峻的能源问题。Ⅴ2Ⅵ3 (Ⅴ=Sb, Bi; Ⅵ=S, Se, Te) 是具有层状结构的硫族化合物晶体，属于正交晶系，拥有优异的光电和热电性能，有望应用于太阳能电池，记忆开关，热电制冷以及热电转换等领域。例如：Sb2Se3作为太阳能电池吸光层材料，具有如下优势（文献1：Y. Zhou, M. Leng, Z. Xia, J. Zhong, H. Song, X. Liu, B. Yang, J. Zhang, J. Chen, K. Zhou, J. Han, Y. Cheng, and J. Tang, Adv. Energy Mater. 4, 1301846 (2014). 文献2：Y. Zhou, L. Wang, S. Chen, S. Qin, X. Liu, J. Chen, D. Xue, M. Luo, Y. Cao, Y. Cheng, E. H. Sargent and J. Tang, Nat. Photonics 9, 409 (2015)）：（1）它的禁带宽度约为1.1 eV,很接近硅的1.12 eV,单结电池的理论光电转换效率大于30%；（2）它的吸光系数大，可见光区大于105 cm-1；（3）它是简单的二元化合物，物相唯一，可在较低温度合成；（4）它的原料价格低廉，储量丰富，绿色低毒。因此，Sb2Se3为有望制备低成本、高效率的太阳能电池。最近有文献报道（文献3：F. A. Martinsen, B. K. Smeltzer, M. Nord, T. Hawkins, J. Ballato, and U. J. Gibson, Sci. Rep. 4, 6283 (2014). 文献4：F. A. Martinsen, B. K. Smeltzer, J. Ballato, T. Hawkins, M. Jones, and U. J. Gibson, Opt. Express 23, A1463 (2015)），采用硅微米线制备径向结太阳能电池。而沿轴向生长的具有层状结构的Sb2Se3微米线同样可应用于径向结太阳能电池，且Sb2Se3原料价格低廉，储量丰富，绿色低毒。再例如：Bi2Te3热电材料，是目前具有最高的热电优值的块体材料。近年来，随着移动通信、笔记本电脑、可穿戴设备等信息技术的不断发展，移动体电器的不断小型化和高功能化，可应用于电源、冷却系统和分散型推进系统的热电器件也不断向微型化发展。热电微型器件主要有两个方向：一是薄膜器件，即二维微型器件；二是热电器件尺寸的微型化，制成三维的微型器件。而沿轴向方向生长的具有层状结构的Bi2Te3微米线，在轴向方向上可增大其电导率，而在径向方向可降低其热导率，从而在不同的晶体生长方向上获得性能优异的热电性能，同时可用作热电转换三维的微型换器件上。目前制备层状晶体结构的硫族化合物微米线大都采用气-液-固法、水热法、溶剂热法等化学方法合成。这些制备方法工艺较复杂，产率较低，微米线长度较短，成本高，且其副产品会污染环境。本专利技术提供的是一种非化学法批量制备定向生长的具有层状结构的硫族化合物晶体。借助玻璃光纤拉丝的方法，将化合物晶体前躯体粉填充到玻璃管中，然后在光纤拉丝炉中加热，拉丝。拉丝温度高于晶体前躯体的熔点且低于其沸点，在拉丝过程中，包层玻璃处于粘弹性状态，晶体前躯体粉处于熔融状态。晶体前躯体在拉丝过程中受到自身重力、向下的牵引力以及包层玻璃的压应力。在三者的作用下，使得具有层状结构的晶体沿光纤轴向方向定向生长。随着包层玻璃从熔融态快速冷却至室温，且晶体微米线尺寸可根据牵引力大小来调节，然后将包层玻璃用合适的酸溶液腐蚀掉，即可得到沿着光纤轴向方向定向生长的具有层状结构的硫族化合物晶体。本方法可大批量制备定向生长的具有层状结构的硫族化合物晶体，适用性广，尺寸可控，产率高，成本低，且无副产品污染环境。制备的沿光纤轴向方向定向生长的具有层状结构的硫族化合物晶体微米线有望应用于径向结太阳能电池和热电转换三维的微型器件。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种具有层状结构的化合物晶体定向生长的方法。该方法采用非化学法，即借助光纤拉丝的方法可大批量制备沿光纤轴向方向定向生长的具有层状结构的硫族化合物晶体，适用性广，尺寸可控，产率高，成本低，且无副产品污染环境。制备的定向生长的具有层状结构的硫族化合物晶体微米线有望应用于径向结太阳能电池，记忆开关，热电制冷，热电转换等三维的微型器件。本专利技术的目的通过如下技术方案实现：一种具有层状结构的化合物晶体定向生长的方法，步骤如下：（1）包层玻璃的加工：先将包层玻璃用机械冷加工成一个中心带有圆柱形孔的玻璃圆柱，再将玻璃圆柱表面及圆孔内表面都进行机械和化学抛光，所述圆柱形孔没有贯穿整个玻璃圆柱；（2）晶体的定向生长：将化合物晶体前躯体粉紧密地填充到圆柱形孔中，然后将整个玻璃圆柱置于光纤拉丝炉中加热拉丝；当包层玻璃开始拉丝时，晶体前躯体粉处于熔融状态，受到自身重力、向下的牵引力以及包层玻璃的压应力，在三者的作用下，使得具有层状结构的晶体沿光纤轴向方向定向生长。熔融态的晶体前躯体随着包层玻璃成丝并快速冷却至室温，固化；拉丝过程中通氩气保护；此时获得的具有层状结构的化合物晶体沿着光纤轴向方向定向生长，处于纤芯中。化合物晶体微米线的尺寸可通过牵引力大小来调节。（3）玻璃包层的腐蚀：选择合适的酸溶液将包层玻璃腐蚀掉，即将步骤（2）拉制的具有玻璃包层的晶体纤芯的纤维放入酸溶液中水浴加热，然后超声，清洗，即可得到沿光纤轴向方向定向生长的具有层状结构的硫族化合物晶体。进一步地，步骤（1）所述包层玻璃为磷酸盐玻璃和硅酸盐玻璃。进一步地，步骤（1）所述圆柱形孔的直径为3.5~4.5 mm，长为50~60 mm, 玻璃圆柱的直径为20~30 mm，长为60~80 mm。进一步地，步骤（2）所述化合物晶体前躯体粉为Ⅴ2Ⅵ3硫族化合物晶体粉，其中Ⅴ=Sb或 Bi; Ⅵ=S、Se或Te，具有层状结构，并沿着光纤轴向方向定向生长，且其晶体微米线尺寸可调。进一步地，步骤（2）所述加热拉丝的温度为660~850℃。进一步地，步骤（2）所述拉丝的温度要高于晶体前躯体的熔点并低于晶体前躯体的沸点。进一步地，步骤（2）所述冷却的速率为5~10℃/s。进一步地，步骤（3）所述酸溶液为浓度为30wt%的HF溶液。进一步地，步骤（3）所述水浴加热的温度为60~90℃，时间为4~12 h。本专利技术与现有技术相比具有非常显著的有益效果：（1）目前制备具有层状结构的硫族化合物晶体微米线通常采用化学法，工艺较复杂，产率较低，微米线长度较短，成本高，且其副产品会污染环境。本专利技术提供一种非化学法，即借助光纤拉丝的方法批量制备定向生长的具有层状结构的硫族化合物晶体微米线，此方法产率高，成本低，无副产品污染环境，适用性广，尺寸可控。（2）本专利技术制备的定向生长的具有本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有层状结构的化合物晶体定向生长的方法，其特征在于，步骤如下：（1）包层玻璃的加工：先将包层玻璃用机械冷加工成一个中心带有圆柱形孔的玻璃圆柱，再将玻璃圆柱外表面和圆孔内表面都进行机械和化学抛光，所述圆柱形孔没有贯穿整个玻璃圆柱；（2）晶体的定向生长：将化合物晶体前躯体粉紧密地填充到圆柱形孔中，然后将整个玻璃圆柱置于光纤拉丝炉中加热拉丝；熔融态的晶体前躯体随着包层玻璃成丝，并冷却到室温；拉丝过程中通氩气保护；（3）玻璃包层的腐蚀：将步骤（2）拉制的具有玻璃包层的晶体纤芯的纤维放入酸溶液中水浴加热，然后超声，清洗，即可得到沿光纤轴向方向定向生长的具有层状结构的硫族化合物晶体。

【技术特征摘要】
1.一种具有层状结构的化合物晶体定向生长的方法，其特征在于，步骤如下：（1）包层玻璃的加工：先将包层玻璃用机械冷加工成一个中心带有圆柱形孔的玻璃圆柱，再将玻璃圆柱外表面和圆孔内表面都进行机械和化学抛光，所述圆柱形孔没有贯穿整个玻璃圆柱；（2）晶体的定向生长：将化合物晶体前躯体粉紧密地填充到圆柱形孔中，然后将整个玻璃圆柱置于光纤拉丝炉中加热拉丝；熔融态的晶体前躯体随着包层玻璃成丝，并冷却到室温；拉丝过程中通氩气保护；（3）玻璃包层的腐蚀：将步骤（2）拉制的具有玻璃包层的晶体纤芯的纤维放入酸溶液中水浴加热，然后超声，清洗，即可得到沿光纤轴向方向定向生长的具有层状结构的硫族化合物晶体。2.根据权利要求1所述的一种具有层状结构的化合物晶体定向生长的方法，其特征在于，步骤（1）所述包层玻璃为磷酸盐玻璃和硅酸盐玻璃。3.根据权利要求1所述的一种具有层状结构的化合物晶体定向生长的方法，其特征在于，步骤（1）所述圆柱形孔的直径为3.5~4.5 mm，长为50~60 mm； 玻璃圆柱的直径为20~...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨中民，唐国武，钱奇，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44