一种实现p型层状碲化镓纳米片自组装纳米花的可控制备方法技术

本发明专利技术公开了一种常压可控制备大面积p型层状GaTe纳米片自组装纳米花的方法，其工艺步骤如下：a)在蓝宝石衬底上制备一层形状为纳米花的ZnO薄膜，作为GaTe生长过程中的种子层；b)将准备好的前驱体样品放入管式炉中，在常压、高纯氩气的环境中生长GaTe；c)使用扫描隧道显微镜、拉曼、光致发光、原子力显微镜、透射电镜等表征手段测试所合成材料。所述GaTe镓的形貌由ZnO的形貌和生长条件如时间长短、氩气流量、温度等控制，而ZnO纳米花的制备通过调节气流量和温度等条件来控制。本发明专利技术高效而且合成可控，制备得到的GaTe/ZnO纳米花异质结结构有明显的pn结整流效应，可用于光电催化产氢等应用，此外对于GaTe这种新型二维材料的生长也提供了借鉴之用。

Controllable preparation method for self assembling nano flower of P type layered gallium telluride nano slice

The invention discloses a pressure controlled preparation of large area p layered nano GaTe method for self assembling nano flowers, the process steps are as follows: a) ZnO films prepared with a layer of nanometer flower shape on the sapphire substrate, the seed layer GaTe in the process of growth; b) precursor samples will be ready good in the tube furnace, the growth of GaTe at atmospheric pressure, high pure argon gas in the environment; c) using scanning tunneling microscopy, Raman, photoluminescence emission test and transmission electron microscopy and atomic force microscopy, characterized by synthetic materials. The morphology of GaTe gallium is controlled by the morphology and growth conditions of ZnO, such as time, argon flow rate, temperature, etc. the preparation of ZnO nanoparticles is controlled by adjusting the gas flow rate and temperature. The invention is efficient and controllable synthesis of GaTe/ZnO nanoparticles, prepared by the flower heterojunction structure has obvious PN rectification effect, can be used for photocatalytic hydrogen production applications, in addition to the new GaTe two-dimensional material growth but also provide a reference for.

【技术实现步骤摘要】
一种实现p型层状碲化镓纳米片自组装纳米花的可控制备方法
本专利技术涉及纳米材料的制备领域，具体涉及一种实现p型层状GaTe纳米片自组装成纳米花的可控制备方法。
技术介绍
II-VI族直接带隙半导体氧化锌(ZnO)是六角纤锌矿结构，其禁带宽度为3.37eV，室温的激子结合能高达60meV，远大于室温热能(26meV)，作为半导体紫外激光器的重要材料，成为继GaN之后短波长半导体激光材料与器件研究中新的热点。此外，ZnO材料在纳米尺度下具有独特的光学、电学以及声学性能，且当下氧化锌的制备技术已经非常成熟，所以很大一部分研究者对氧化锌和其它优秀的纳米材料的复合材料感兴趣。另一方面，石墨烯是一种单原子层的二维材料，自被发现至今一直受到科学界和产业界的广泛关注。不仅因为它突破了传统观念，是第一个真正意义上的二维材料，更在于它拥有许多奇特的物理化学性质。例如石墨烯属于零带隙的半金属材料，在费米面附近具有狄拉克锥状能带结构，因而拥有超高室温载流子迁徙率(15000cm-2v-1s-1)。但这是一把双刃剑，零带隙狄拉克锥能带结构带来的超高载流子迁移率使石墨烯在光电器件大放异彩，也正是因为石墨烯缺少带隙，使它在场效应晶体管领域很难有大的作为。作为一类新的类石墨烯二维材料，过度金属硫化物的随着层数的减少从间接带隙变为直接带隙的半导体材料，很好的弥补了石墨烯没有能带的缺点，其优秀的半导体性质显示出巨大的应用潜力。例如，大边发射对应可见波段，这使其可以很好的应用到光电催化方面。因此，半导体过渡金属多的过度金属硫化物的带硫化物及其异质结结构在下一代光电器件中潜力无穷。GaTe作为一种新型的P型硫化物，其具有较高的空穴密度(6×1012cm-2)，和其它的过渡金属硫化物不一样，它的体材料和原子层材料在常温下都是直接带隙的(1.65eV)。碲化镓属于单斜晶系(C2/m空间群)，六方相是其亚稳态相。同其它二维材料一样，GaTe层内原子通过共价键结合，而层间则以较弱的范德瓦尔斯力结合，它的层状由Te-Ga-Ga-Te沿着c轴组成。合适的能带宽度使其在太阳能窗口材料和室温辐射探测等方面都有潜在应用，但因其晶体结构较为复杂，这使得GaTe的结构研究仍待深入，其可控合成仍然是一个亟待解决的科学问题。因此，有必要对GaTe的纳米材料和其异质结结构进行相关研究，这将是制造高效有用的GaTe光电器件的关键。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术的目的是提供一种常压可控制备GaTe/ZnO异质结纳米花的方法，其在生长过程中可有效可控的控制GaTe的形貌。本专利技术所要解决的问题是克服GaTe纳米材料的难以可控制备问题。本专利技术提供一种利用上述方法制备的ZnO\GaTe异质结材料对水进行光电全水解的应用，克服光电催化过程中光生电子空穴易复合的不足。本专利技术是通过以下的技术方案实现的。一种实现p型层状碲化镓纳米片自组装纳米花的可控制备方法，包括以下工艺：a)蓝宝石片子和石英舟清洗。首先，将1×1cm大小，厚度为0.5mm，表面平整度为0.2nm的<100>蓝宝石衬底放入装有50毫升乙醇的烧杯中，进行超声清洗15分钟，取出用氮气枪吹干；接着，将吹干的蓝宝石衬底放入另外一个装有50毫升丙酮的烧杯中，进行超声清洗15分钟，取出用氮气枪吹干；最后将吹干的蓝宝石衬底放入100毫升的去离子水中，进行超声清洗10分钟，取出用氮气枪吹干。b)蓝宝石衬底退火。将步骤a)中清洗干净的蓝宝石衬底直接放入本专利技术所用天津中环公司生产的双温区化学气相沉积(CVD)炉管中，炉管直径6英寸，抽真空至2.7Pa，然后通入纯度为5N，流量为1000sccm的高纯氩气至常压状态，洗气30分钟，然后在氩气流量为100sccm的氛围、炉管真空度为常压的状态下加热60分钟至1000℃，退火1min，自然降温至常温，完成对蓝宝石衬底的退火工序。c)在蓝宝石衬底上使用化学气相沉积(CVD)的方法先沉积一层ZnO带有纳米花形状的薄膜，作为GaTe生长过程中的种子层。所述氧化锌合成条件为：生长源：30-70毫克锌粉，锌粉纯度为5N，粒径为600目；气流条件：150-300sccm的氩气氧气混合气作为载气，氩气氧气比例为99:1；合成温度条件：700-850℃；生长时间：10-60分钟；真空度：5-10Pa。d)将准备好的50-100mg的GaTe粉末放入石英舟，作为GaTe纳米花生长的源；e)将准备的源放入管式炉，抽真空3-5次致石英管内真空度致1-5Pa，然后通入纯度为5N的高纯氩气至管子内的真空度为常压状态，并继续通入高纯氩气洗气一段时间，高纯氩气作为GaTe生长过程中的保护气体和运载气体。所述GaTe合成条件为：生长源：50-100毫克GaTe粉末，GaTe粉末纯度为4N，粒径为60目；气流条件：100-200sccm的纯度为5N的高纯氩气作为载气；合成温度条件：700-750℃；生长时间：30-90分钟；真空度：1-5Pa。f)对合成的GaTe纳米结构进行扫描隧道显微镜、拉曼、光致发光、原子力显微镜(包含导电原子力显微镜)、透射电镜等测试，且将合成的GaTe/ZnO异质结结构用于光电催化全解水实验。借由上述技术方案，本专利技术具有如下优点和有益技术效果：1)本专利技术利用带有纳米花形状的ZnO薄膜种子层，成功可控的合成厚度约为0.7nm的单层六方亚稳态相的GaTe二维材料，实现GaTe这种新型的有前途的p型材料的高质量自组装合成，这对GaTe这种晶体结构相对比较复杂的材料合成有借鉴作用，同时对GaTe材料以及GaTe和其它材料的复合材料应用于下一代光电器件有很大的促进作用。2)本专利技术制备得到的GaTe/ZnO纳米花异质结结构有明显的pn结整流效应，在用与光电催化全水解反应中克服了光电催化过程中光生电子空穴易复合的不足，有很好的光电催化产氢效果。附图说明图1(a)为GaTe/ZnO纳米花结构；(b)为GaTe/ZnO纳米花结构的局部放大图，可以看到本专利技术中获得的GaTe是由单层的GaTe纳米片自组装形成；(c)为GaTe/ZnO纳米花结构的原子力显微镜测试图；(d)为(c)图中所标直线位置的GaTe薄片高度图，0.7nm对应单层GaTe的厚度。图2(a)为GaTe/ZnO纳米花结构的X-射线光电子能谱图；(b)、(c)、(d)对应相应的Zn2p,Ga3d,Te3d峰。图3为GaTe/ZnO纳米花结构的X-射线衍射谱图。图4(a)为亚稳态六方结构GaTe纳米片的低分辨透射电镜图；(b)为GaTe纳米片的高分辨透射电镜图；(c)为GaTe/ZnO纳米花结构的电子能谱图(来自扫描电镜)；(d)为(b)图对应的SAED图。图5为GaTe/ZnO纳米花结构的光学性质图；(a)为GaTe在514.5nm光激发时候的光致发光谱；(b)为样品拉曼测试图；(c)为样品的显微镜图样；(d)为对应(c)中纳米花的光致发光(峰位为760nm的光致发光强度)mapping图。图6(a)为利用导电原子力显微镜(CAFM)测得的GaTe/ZnO纳米花结构的整流特性曲线；(b)为GaTe/ZnO纳米花结构的光电催化电流密度与电压关系图。其中包含了纯ZnO的光、暗电流密度与电压关系曲线；GaTe/ZnO纳米花结构的光、暗电流密度本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种实现p型层状碲化镓纳米片自组装纳米花的可控制备方法，其特征在于，其工艺步骤如下：a)在蓝宝石衬底上制备一层形状为纳米花的ZnO薄膜，作为GaTe生长过程中的种子层；b)将准备好的前驱体样品放入管式炉中，在常压、高纯氩气的环境中制备p型层状碲化镓(GaTe)纳米片自组装纳米花。

【技术特征摘要】
1.一种实现p型层状碲化镓纳米片自组装纳米花的可控制备方法，其特征在于，其工艺步骤如下：a)在蓝宝石衬底上制备一层形状为纳米花的ZnO薄膜，作为GaTe生长过程中的种子层；b)将准备好的前驱体样品放入管式炉中，在常压、高纯氩气的环境中制备p型层状碲化镓(GaTe)纳米片自组装纳米花。2.如权利要求1所述的实现p型层状碲化镓纳米片自组装纳米花的可控制备方法，其特征在于：步骤a)中，所述蓝宝石衬底为按照标准清洗工艺清洗的蓝宝石衬底；具体工艺清洗步骤包括：a1)将1×1cm大小，厚度为0.5mm，表面平整度为0.2nm的<100>蓝宝石衬底放入装有50毫升乙醇的烧杯中，进行超声清洗15分钟，取出用氮气枪吹干；a2)将吹干的蓝宝石衬底放入另外一个装有50毫升丙酮的烧杯中，进行超声清洗15分钟，取出用氮气枪吹干；a3)将吹干的蓝宝石衬底放入100毫升的去离子水中，进行超声清洗10分钟，取出用氮气枪吹干。3.如权利要求2所述的实现p型层状碲化镓纳米片自组装纳米花的可控制备方法，其特征在于：步骤a)中，所述蓝宝石衬底为退过火的蓝宝石衬底；具体退火工序包括：将清洗干净的蓝宝石衬底直接放入双温区化学气相沉积(CVD)炉管中，炉管直径6英寸，抽真空至2.7Pa，然后通入纯度为5N，流量为1000sccm的高纯氩气至常压状态，洗气30分钟，然后在氩气流量为100sccm的氛围、炉管真空度为常压的状态下加热60分钟至1000℃，退火1min，自然降温至常温，完成对蓝宝石衬底的退火...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈祖信，楚盛，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东,44