一种通过自组装形成大面积黑磷薄膜的制备方法技术

本发明专利技术涉及黑磷纳米片自组装成大面积薄膜的制备方法。通过自组装形成大面积黑磷薄膜；1)制备黑磷纳米片，将黑磷置于无水乙醇中使用探针式超声6‑8小时，使黑磷变成分散的黑磷纳米片；2)将改性硅油缓慢滴入黑磷‑无水乙醇混合溶液中，其中改性硅油与黑磷‑无水乙醇混合溶液的质量比为1：15‑36；通过搅拌，在无水乙醇和改性硅油界面处形成一层致密的黑磷薄膜。本发明专利技术所述的大面积黑磷薄膜在光电器件领域有较大的应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种通过自组装形成大面积黑磷薄膜的制备方法
本专利技术属于光电子半导体领域，更具体地涉及一种通过自组装形成大面积黑磷薄膜的制备方法
技术介绍
科技发展进程中，半导体真空管的出现，使人类从电子技术时代进入数字技术时代。在人类的科学技术应用中以半导体为基石的微电子技术起到了举足轻重的作用。作为微电子与光电子集成的光电器件在信息技术和光纤通信等领域越来越重要。其中光电探测器，作为光电器件中最重要的部分之一将光转化为电信号，在火焰传感，夜视仪，材料鉴定，环境监控等方面有很大的应用前景。半导体在吸收了能量大于其带隙的光后，价带电子将被激发到导带，形成自由电子，该现象实现了光到电信号的转变，使得半导体材料成为了最有潜力的候选光电探测器材料。目前，硅作为一种最重要的无机半导体材料，通常被用于制备可见和近红外波长的光电探测器(FengnianXiaetal.，Naturephotonics.2008，2(4)，242.)。然而由于硅的光吸收范围较窄，同时吸收能力较弱在很大程度上限制了硅基光电探测器的发展和实际应用。于是人们需要寻找更合适的半导体材料，以研发出更高效，更广泛的光电探测器。在2008年，有研究者通过机械剥离得到石墨烯，这一具有许多优异性能的材料引起了研究人员的注意。虽然石墨烯具有超高的载流子迁移率以及超高的耐受电流密度，常被用于制备光电探测器，但是由于其具有较低的光吸收效率以及较大的暗电流，依然限制着石墨烯的进一步应用。随着近几年来，越来越多的二维材料被发现。黑磷进入了大家的视野，作为一种窄直接带隙半导体，同时具有高载流子迁移率、高开关比以及较高光吸收效率，具有成为优异光电探测器材料的潜力。然而，由于黑磷纳米片在空气中不稳定且具有不利于操作的小尺寸，使得黑磷器件的工业制备极为困难。因此制备性能稳定且可控尺寸的黑磷具有重要的意义。本课题组在该科学问题上进行了相关探索，专利技术了一种稳定的大面积黑磷薄膜的制备方法。此方法在黑磷的工业生产有重要的应用价值。
技术实现思路
本专利技术的目的是，利用硅油辅助制备大面积黑磷薄膜，使黑磷薄膜尺寸可控且性能稳定，满足实际应用的需求。本专利技术的技术方案：通过自组装形成大面积黑磷薄膜的制备方法，通过自组装形成大面积黑磷薄膜；1)制备黑磷纳米片，将黑磷置于无水乙醇中使用探针式超声6-8小时，使黑磷变成分散的黑磷纳米片；2)将改性硅油(硅油亦可)缓慢滴入黑磷-无水乙醇混合溶液中，其中改性硅油与黑磷-无水乙醇混合溶液的质量比为1∶15-36；通过搅拌，在无水乙醇等溶剂和改性硅油界面处形成一层致密的黑磷薄膜。例如，将块材黑磷在无水乙醇中冰浴超声剥离成小尺寸黑磷纳米片；取0.5g改性硅油缓慢滴入12g黑磷-无水乙醇混合溶液中；将超声好的混合溶液取出，加入改性硅油，加入改性硅油的量为混合溶液质量的二十四分之一。将上述溶液进行磁力搅拌，大约搅拌5-6小时后，即可在界面处得到致密且具有金属光泽的黑磷薄膜。可以采用多种方法将黑磷薄膜移到衬底上。黑磷纳米片在液体界面处通过自组装的方式形成大面积的薄膜，增强其稳定性的同时具有较好的光电响应。自组装是由于无水乙醇与改性硅油具有不同的表面张力，在张力梯度的作用下黑磷纳米片形成了大面积的自组装薄膜。有益效果，使用该方法制备出的黑磷薄膜可根据加入黑磷的量调节其厚度。这种液-液界面自组装中，黑磷纳米片是通过π-π相互作用有边界的堆叠的，形成的高均匀性的薄膜。制备后的黑磷薄膜具有与块体黑磷同样的拉曼峰，且在改性硅油的保护下，在数日后其拉曼峰位保持不变，表明其可在空气中稳定。具有稳定的大面积的黑磷薄膜，可以轻松转移到不同的衬底上，以用于各种性能检测以及应用。在光电器件领域有很大的应用前景。附图说明图1.本专利技术中超声完成后的黑磷纳米片透射电子显微镜图。图2.本专利技术中大面积黑磷薄膜的形貌图。(a)为磁力搅拌后形成的具有金属光泽的黑磷薄膜，(b)为转移到硅衬底上以后被改性硅油包裹的黑磷薄膜。图3.本专利技术制备的大面积黑磷薄膜的拉曼图。其中红线和蓝线为大面积黑磷薄膜上两个不同的位置的拉曼线；黑线为原始块材黑磷的拉曼线。图4.本专利技术中黑磷薄膜形成过程中各个时间段中黑磷薄膜的形貌。(a)为搅拌0小时所得薄膜形貌，(b)为搅拌3小时所得薄膜形貌，(c)为搅拌5小时所得薄膜形貌，(d)为搅拌6小时所得薄膜形貌。具体实施方式大面积黑磷薄膜的具体制备方法如下所述：向0.06g黑磷粉末中缓慢加入60ml无水乙醇，搅拌后将混合溶液置于细胞破碎机中进行探针式超声6-8个小时，尤其是块材黑磷在无水乙醇(可采用异丙醇和正丁醇等其它溶剂)中冰浴探针式超声剥离成小尺寸黑磷纳米片；。取超声完成后的混合溶液12g，改性硅油(聚二甲基硅氧烷中的B组分，硅油的其它种类均可以使用，只涉及硅油的基本物理属性)约0.5g，在磁力搅拌器上大力搅拌约5-6个小时后可在界面处观察到形成一层具有金属光泽的薄膜。然后将衬底处于接近液平面的角度插入液面后快速抬起衬底，即可将金属光泽的黑磷纳米片薄膜转移到衬底上。图1为本专利技术制备的黑磷纳米片的透射电子显微镜图。可以表明超声后的样品为纳米薄片。图2为本专利技术中大面积黑磷薄膜的形貌图。如图2(a)所示在黑磷纳米片自组装后，形成具有金属光泽的均匀薄膜。图2(b)为将薄膜转移到硅衬底上形成的具有硅油保护的黑磷薄膜。同时薄膜转移到硅片衬底上之后，底层的酒精蒸发之后与硅衬底结合紧密，在低功率超声下不发生薄膜脱落的情况。为探究成膜后黑磷在空气中的稳定情况，我们对比了块材黑磷、刚形成的黑磷薄膜和形成一天以后的黑磷薄膜的拉曼峰。如图3所示，其中黑线表示块材黑磷的拉曼，与文献中的黑磷峰位吻合；红线表示刚形成的黑磷薄膜的拉曼峰；蓝线表示形成一天之后的黑磷薄膜的拉曼峰。黑磷的拉曼特征峰会随着层数的减少呈现出蓝移的趋势，从另一方面也证明了组成黑磷薄膜的黑磷纳米片为少层黑磷。其拉曼特征峰未发生其他明显变化，表明黑磷薄膜具有较好的稳定性。为了探究黑磷薄膜的形成过程，我们对比了不同搅拌时间的黑磷薄膜形成情况。如图4所示，黑磷薄膜在形成过程中呈现逐渐堆叠特征。在3小时搅拌时形成超薄薄膜，随着搅拌时间的增加，黑磷薄膜逐渐增厚，面积逐渐增大。综上所述，表明本专利技术制备的黑磷薄膜具有大面积易转移，以及较好的稳定性。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大面积黑磷自组装薄膜的制备方法，其特征在于，通过自组装形成大面积黑磷薄膜；1)制备黑磷纳米片，将黑磷置于无水乙醇中使用探针式超声6‑8小时，使黑磷变成分散的黑磷纳米片；2)将改性硅油缓慢滴入黑磷‑无水乙醇混合溶液中，其中改性硅油与黑磷‑无水乙醇混合溶液的质量比为1∶15‑36；通过搅拌，在无水乙醇和改性硅油界面处形成一层致密的黑磷薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种大面积黑磷自组装薄膜的制备方法，其特征在于，通过自组装形成大面积黑磷薄膜；1)制备黑磷纳米片，将黑磷置于无水乙醇中使用探针式超声6-8小时，使黑磷变成分散的黑磷纳米片；2)将改性硅油缓慢滴入黑磷-无水乙醇混合溶液中，其中改性硅油与黑磷-无水乙醇混合溶液的质量比为1∶15-36；通过搅拌，在无水乙醇和改性硅油界面处形成一层致密的黑磷薄膜。2.根据权利要求1所述的大面积黑磷...

【专利技术属性】
技术研发人员：扶瑶，于翠红，诸昊罡，沈剑沧，吴兴龙，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32