高质量超薄六方NiPS3纳米片及其大面积制备方法技术

本发明专利技术涉及高质量超薄六方NiPS3纳米片及其大面积制备方法，属于无机半导体纳米材料技术领域，主要采用了两步化学气相反应方法。首先通过水热合成的方法在不同的基底表面生长Ni(OH)2纳米片，然后将其加热至450‑470℃与同时加热升华的硫粉和磷粉发生化学反应，最终得到超薄的六方NiPS3纳米片，得到的六方NiPS3纳米片厚度约为3‑5nm，横向尺寸约为10‑20μm。本发明专利技术所述方法制备工艺简单，操作便捷且成本低，具有广阔的应用前景。

High quality ultrathin six party NiPS3 nano plate and large area preparation method thereof

The invention relates to a high quality ultrathin six party NiPS3 nano plate and a large-area preparation method thereof, belonging to the field of inorganic semiconductor nanometer material technology, and mainly adopts the two step chemical vapor phase reaction method. Firstly, the method of hydrothermal synthesis of Ni growth on different substrates (OH 2) nano plate, and then heated to 450 DEG C and 470 and sublimed sulfur powder and phosphorus chemical reaction, finally get the six party ultrathin NiPS3 nanosheets, six NiPS3 nano film thickness is about to get 3 5nm, the transverse size is about 10 20 m. The method of the invention has simple preparation process, convenient operation and low cost, and has wide application prospect.

【技术实现步骤摘要】
高质量超薄六方NiPS3纳米片及其大面积制备方法
本专利技术属于无机半导体纳米材料
，涉及一种六方NiPS3纳米片及其制备方法，尤其涉及一种高质量超薄六方NiPS3纳米片及其大面积化学气相制备方法。
技术介绍
二维层状半导体材料因其独特的物理和化学性质近期在国际社会上受到广泛的关注，这种材料可达到原子级超薄的厚度同时保持高的表面积。与体材料相比，这些超薄半导体材料在光电子器件、逻辑器件、光电催化以及清洁能源领域展现了众多的优势，因而具有广泛的应用前景。作为一种新颖的层状半导体材料，过渡金属三硫族磷化物(MPTs)引起了国内外科学家的兴趣，其中M可以为IVB、VB以及VIB的金属元素，包括NiPS3、MnPS3、NiPSe3以及FePS3等。由于其化学多样性和结构的复杂性常表现出更多的铁电或磁学方面的特性。但是，目前该类材料的生长主要是采用相应原子比的单质金属：磷粉：硫粉的混合物通过化学气相传输(CVT)方法(ACSNano2015,10,1738；Mater.Res.Bull.1970,5,419)得到的，这种方法比较耗时，一般生长时间要达十天；同时，所需要的反应温度也比较高(＞600℃)；另外，最终得到的只是块状材料。因此，该类材料纳米结构的制备是目前所面临的主要挑战。为了满足大量应用需求，制备具有高质量的大面积二维MPT纳米材料是亟待解决的难题。层状的NiPS3半导体材料的层间以范德华力堆垛而成，层内六个Ni2+离子位于一个双椎体(P2S6)4-周围，P原子与S原子以共价键结合。这种材料具有良好的吸光性能，其半导体带隙随纳米片厚度的变化而变化。截至目前，超薄NiPS3纳米片的生长是亟待攻克的一大难题。因此，发展一种高效可行的NiPS3纳米片生长方法具有重要的意义。
技术实现思路
针对现有技术中存在的上述问题，本专利技术的目的在于提供一种六方NiPS3纳米片及其制备方法，尤其是提供一种高质量超薄六方NiPS3纳米片及其大面积化学气相制备方法，其可以通过快速且低成本的化学气相沉积(CVD)方法在不同基底(例如，碳布纤维、ITO玻璃以及FTO玻璃)上生长大面积六方NiPS3纳米片。所得到的NiPS3纳米片结晶性好，化学性质稳定，厚度约为3-5nm，尺寸可达10-20μm；另外，所述NiPS3纳米片能够容易并完整地转移到其他基底(例如，SiO2/Si基底)表面。该方法易操作、所需设备简单，并且可以高效率地应用到大规模工业生产方面。为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术所述“高质量超薄六方NiPS3纳米片”中，“高质量”指：该六方NiPS3纳米片结晶性好，化学性质稳定；“超薄”指：该六方NiPS3纳米片的厚度为3-5nm。本专利技术所述“高质量超薄六方NiPS3纳米片及其大面积制备方法”中，“大面积”指：通过本专利技术的方法可一次性制备得到大量所述六方NiPS3纳米片。第一方面，本专利技术提供一种六方NiPS3纳米片，其是一种新型的二维层状材料，尤其是一种高质量超薄六方NiPS3纳米片，所述六方NiPS3纳米片的厚度为3-5nm，例如为3nm、4nm或5nm等。所述六方NiPS3纳米片的横向尺寸为10-20μm，例如为10μm、12μm、13μm、15μm、16μm、17μm、18μm、19μm或20μm等。作为本专利技术所述六方NiPS3纳米片的优选技术方案，所述六方NiPS3纳米片分布在基底表面，优选均匀分布在基底表面。优选地，所述基底包括碳布纤维、氧化铟锡导电玻璃ITO或氟掺杂的氧化铟锡导电玻璃FTO中的任意一种或至少两种的组合，优选碳布纤维。但并不限于上述列举的基底，其他本领域常用的能达到相同效果的基底也可用于本专利技术。优选地，所述六方NiPS3纳米片中，三种元素的原子比为Ni:P:S＝1:1:3。第二方面，本专利技术提供如第一方面所述的六方NiPS3纳米片的制备方法，尤其是大面积制备方法，所述方法为两步生长法，包括以下步骤：(1)合成Ni(OH)2纳米片；(2)通过硫和磷气氛与Ni(OH)2纳米片的化学气相反应，得到六方NiPS3纳米片。本专利技术中，使用Ni(OH)2纳米片原料，加热至一定温度，Ni(OH)2纳米片与同时加热升华的硫粉和磷粉发生化学反应，最终得到超薄的六方NiPS3纳米片。作为本专利技术所述方法的优选技术方案，步骤(2)所述化学气相反应在双温区管式炉中完成。优选地，所述步骤(2)的具体过程为：将Ni(OH)2纳米片置于双温区管式炉的下游，红磷和硫的混合粉末置于双温区管式炉的上游，同时对下游和上游加热，进行化学气相反应。本专利技术中，步骤(2)使用的红磷也可以替换为其他形式的磷，但是由于白磷容易自燃且剧毒，危险性大，本专利技术优选使用红磷。优选地，步骤(2)中，所述双温区管式炉的下游温度设置为400-500℃，例如为400℃、420℃、425℃、430℃、440℃、445℃、450℃、460℃、470℃、480℃、490℃或500℃等，优选为450-470℃。优选地，步骤(2)中，所述双温区管式炉的上游温度设置为100-300℃，例如为100℃、110℃、130℃、145℃、155℃、160℃、180℃、200℃、220℃、225℃、235℃、250℃、260℃、270℃、280℃或300℃等，优选为110-270℃。作为本专利技术所述方法的优选技术方案，下游的加热方式设置为一步升温，上游的加热方式设置为两步升温，同时对下游和上游加热。优选地，下游的加热方式为一步升温，升温至400-500℃，例如为400℃、420℃、430℃、440℃、450℃、460℃、480℃、485℃、490℃或500℃等，优选为470℃。优选地，上游的加热方式设置为两步升温，具体为：先在30min内升温至100-120℃，随后在5min内升温至270-300℃。例如先在25min升温至100℃，随后在4min升温至280℃；或者先在20min升温至120℃，随后在3min升温至300℃；或者先在10min升温至110℃，随后在2min升温至290℃；或者先在5min升温至100℃，随后在2min升温至270℃。此优选技术方案中，所述“随后”指：不进行保温。作为本专利技术所述方法的优选技术方案，所述将Ni(OH)2纳米片置于双温区管式炉的下游，并将红磷和硫的混合粉末置于双温区管式炉的上游的方式为：(A)取2个一端封口且直径一大一小的石英管组成石英套管，直径小的石英管套入直径大的石英管内部，直径小的石英管和直径大的石英管的封口端在不同侧(即分别在石英套管的两端)；(B)直径大的石英管和直径小的石英管的长度均为加热温区之间距离的(0.8～1.2)倍，这样的目的是保证化学气相反应的充分进行；其中，所述加热温区之间距离为：下游的加热源和上游的加热源之间的距离，比如下游的热电偶和上游的热电偶之间的距离；(C)放置Ni(OH)2纳米片，并保证Ni(OH)2纳米片位于双温区管式炉的下游；将红磷和硫的混合粉末置于直径小的石英管的封口端，并保证红磷和硫的混合粉末位于双温区管式炉的上游；其中，当Ni(OH)2纳米片为生长在基底表面的Ni(OH)2纳米片时，长有Ni(OH)2纳米片基底的一半位于直径小的石英管的开口端内部，另一半位于外部；当Ni(OH)2纳米本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种六方NiPS3纳米片，其特征在于，所述六方NiPS3纳米片的厚度为3‑5nm，横向尺寸为10‑20μm。

【技术特征摘要】
1.一种六方NiPS3纳米片，其特征在于，所述六方NiPS3纳米片的厚度为3-5nm，横向尺寸为10-20μm。2.根据权利要求1所述的六方NiPS3纳米片，其特征在于，所述六方NiPS3纳米片分布在基底表面，所述基底包括碳布纤维、氧化铟锡导电玻璃ITO或氟掺杂的氧化铟锡导电玻璃FTO中的任意一种或至少两种的组合，优选碳布纤维；优选地，所述六方NiPS3纳米片中，三种元素的原子比为Ni:P:S＝1:1:3。3.如权利要求1或2所述的六方NiPS3纳米片的制备方法，其特征在于，所述方法为两步生长法，包括以下步骤：(1)合成Ni(OH)2纳米片；(2)通过硫和磷气氛与Ni(OH)2纳米片的化学气相反应，得到六方NiPS3纳米片。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述化学气相反应在双温区管式炉中完成；优选地，所述步骤(2)的具体过程为：将Ni(OH)2纳米片置于双温区管式炉的下游，红磷和硫的混合粉末置于双温区管式炉的上游，同时对下游和上游加热，进行化学气相反应；优选地，步骤(2)中，所述双温区管式炉的下游温度设置为400-500℃，优选为450-470℃；优选地，步骤(2)中，所述双温区管式炉的上游温度设置为100-300℃，优选为110-270℃。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，下游的加热方式设置为一步升温，上游的加热方式设置为两步升温，同时对下游和上游加热；优选地，下游的加热方式为一步升温，升温至400-500℃，优选为470℃；优选地，上游的加热方式设置为两步升温，具体为：先在30min内升温至100-120℃，随后在5min内升温至270-300℃。6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述将Ni(OH)2纳米片置于双温区管式炉的下游，并将红磷和硫的混合粉末置于双温区管式炉的上游的方式为：(A)取2个一端封口且直径一大一小的石英管组成石英套管，直径小的石英管套入直径大的石英管内部，直径小的石英管和直径大的石英管的封口端在不同侧；(B)直径大的石英管和直径小的石英管的长度均为加热温区之间距离的(0.8～1.2)倍；其中，所述加热温区之间距离为：下游的加热源和上游的加热源之间的距离；(C)放置Ni(OH)2纳米片，并保证Ni(OH)2纳米片位于双温区管式炉的下游；将红磷和硫的混合粉末置于直径小的石英管的封口端，并保证红磷和硫的混合粉末位于双温区管式炉的上游；其中，当Ni(OH)2纳米片为生长在基底表面的Ni(OH)2纳米片时，生长有Ni(OH)2纳米片的基底一半位于直径小的石英管的开口端内部，另一半位于外部；当Ni(OH)2纳米片为无基底负载的粉末时，Ni(OH)2纳米片位于直径大的石英管的封口端；优选地，所述直径小的石英管的开口端与直径大的石英管的封口端在同一侧，且间距为1～1.5cm。7.根据权利要求3-6任一项所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述双温区管式...

【专利技术属性】
技术研发人员：何军，王枫梅，
申请(专利权)人：国家纳米科学中心，
类型：发明
国别省市：北京,11