一种Sn制造技术

本发明专利技术公开了一种Sn

A kind of Sn

【技术实现步骤摘要】
一种Sn3P4诱导二维黑磷晶体的制备方法
本专利技术属于二维材料
，具体涉及一种Sn3P4诱导二维黑磷晶体高效制备的方法。
技术介绍
二维黑磷（BP）是近年来脱颖而出并受到广泛关注的一种新型半导体材料。凭借优异的光子学及光电子学材料特性，黑磷在各类光子和光电器件应用中表现出优异的潜力。首先，黑磷具有灵活可调的直接带隙，这为光电器件提供了从可见跨越至中红外的宽光谱高效光电响应。其次，从晶体管器件的迁移率和开关比这两个关键性能来考虑，黑磷填补了石墨烯（Graphene）和过渡金属硫化物（TMDCs）之间的空隙，为晶体管器件提供了理想的平衡性能。不仅如此，黑磷的面内各项异性对材料的电学、光学以及机械性能等具有极大影响，从而为深入探索新颖的光电基本原理以及实现光电器件新功能应用提供了一个优秀平台。黑磷晶体的制备也经历了一个漫长的研究过程。自从Bridgeman在1914年于高温高压条件下将白磷转变为黑磷（JournaloftheAmericanChemicalSociety,1914,36(7):1344-1363），近百年来研究人员们又相继开发了各种黑磷晶体的制备方法。如汞催化法、高能球磨法等，但是无不受限于苛刻的制备条件、复杂的反应装置等不足。直到2007年Nilges报道了一种低压条件下，利用金、锡作为催化剂将红磷转变为了黑磷的方法（Inorganicchemistry,2007,46(10):4028-4035），这也为现在最为广泛采用的化学气相传输法（CVT，Chemicalvaportransmission）制备黑磷晶体打下了稳固的基础。但是，现行的基于化学气相传输法的制备方法，基本上都是在催化剂、输运剂的种类，以及反应升降温程序上进行调控及改进。而关于利用反应体系中间产物锡磷化合物进行黑磷晶体制备的研究还鲜有报道。RajeshGanesan等人（ChemistryofMaterials,2009,21:4108-4110.）采用等压技术合成Sn3P4化合物，不过该方法对设备要求较高，难以大批量合成。JuliaV.Zaikina等人（ChemistryofMaterials,2008,20(7):2476-2483.）采用SnCl2辅助的高温真空反应及淬冷处理制备Sn3P4化合物，并系统研究了其晶体结构及热电性能。不过该方法不仅需要SnCl2的辅助，且需要将高温下的反应器瞬间至于冷水中淬冷，操作难度及危险系数较高，反应过程的可控性难以保证。总之，现行的Sn3P4的制备方法主要集中在化学合成法及高温烧结法，前者往往需要复杂的化学合成过程，后者也需要助剂引入及危险性高、可控性差的淬冷处理。且目前Sn3P4仅在电池领域有所应用，而关于其催化二维黑磷晶体生长的研究还鲜有报道。因此，开发一种以Sn3P4为催化剂高效、可控的制备二维黑磷晶体的方法，对拓宽黑磷材料在光电器件、能源催化及生物医疗等诸多领域的工业级应用具有重要价值。
技术实现思路
本专利技术首先通过高温真空反应及快速冷却制得Sn3P4，并以其为催化剂，外加红磷原料和输运剂，制得高纯度、高质量二维黑磷晶体。Sn3P4作为催化剂，能够显著降低红磷-黑磷转化过程所需的成核势垒，加速反应的成核与生长过程。这不仅可以降低合成过程中的反应温度和反应时间，减少能耗，而且还能减少管内压强，防止炸管现象的发生。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种Sn3P4诱导二维黑磷晶体高效制备的方法，包括如下步骤：（1）称取红磷原料和金属单质锡于单头封口石英管底部，并用封口膜封住开口备用；（2）去掉封口膜，迅速利用真空封管系统将反应原料密封于石英管内部；（3）将密封好的石英管置于管式炉内，并设定升温、降温程序对石英管进行加热处理，待反应结束后得到块体Sn3P4化合物，并将其取出研磨成粉末备用；（4）称取红磷原料、Sn3P4粉末和输运剂于单头封口石英管底部，并用封口膜封住开口备用；（5）去掉封口膜，迅速利用真空封管系统将反应原料密封于石英管内部；（6）将密封好的石英管置于管式炉内，并设定升温、降温程序对石英管进行加热处理，待反应结束后，最终制得高纯度、高质量的二维黑磷晶体。以下作为本专利技术优选的技术方案，但不作为本专利技术提供的技术方案的限制，通过以下技术方案，可以更好地达到和实现本专利技术的技术目的和有益效果。上述方案中，所述的称样氛围为惰性气体保护气氛，且称样结束后需用封口膜封住石英管开口。优选的，所述的惰性气氛包括氩气、氮气、氦气中的任意一种。上述方案中，所述的金属单质锡为锡粉、锡箔、锡粒、锡条或锡块中的任意一种或至少两种的组合，且纯度为98％以上。优选的，所述的金属单质锡为锡粉、锡箔、锡粒中的任意一种或至少两种的组合，且纯度为99％以上。上述方案中，所述的红磷原料和金属单质锡的元素摩尔比为P：Sn=3.5~4.5：3。优选的，所述的红磷原料和金属单质锡的元素摩尔比为P：Sn=3.8~4.2：3。上述方案中，所述的是利用真空封管系统将反应物密封于石英管中，管内真空条件的压力为1Pa以下。上述方案中，所述的控温过程是通过马弗炉或管式炉自带的控制器实现的程序升温和降温。上述方案中，步骤（3）所述的程序升温和降温具体为：室温条件下，温度经1~6h升到420～550℃后，保温120～240h；然后开始降温，在保温温度的基础上，经1min～360min降至室温。且程序升温速率为100~550℃/h；程序降温速率为1~550℃/min。优选的，所述的程序升温和降温具体为：室温条件下，温度经1~2h升到450～520℃后，保温144～192h；然后开始降温，在保温温度的基础上，经1～120min降至室温。且程序升温速率为300~500℃/h；程序降温速率为5~520℃/min。上述方案中，所述的输运剂为I2、SnI4、SnI2、PbI2、NH4I、BiI3、PI3、SnCl2、SnBr2中的任意一种或至少两种的组合，且纯度为95％以上。优选的，所述的输运剂为I2、SnI4、SnI2、PbI2、NH4I、BiI3中的任意一种或至少两种的组合，且纯度为98％以上。上述方案中，所述的红磷原料、Sn3P4粉末和输运剂的质量投料比为5～100：5～10：1。优选的，所述的红磷原料、Sn3P4粉末和输运剂的质量投料比为50～100：8～10：1。上述方案中，步骤6）所述的程序升温和降温具体为：室温条件下，温度经1~6h升到440～550℃后，保温6～12h；然后开始降温，在保温温度的基础上，经6～12h降至室温。且程序升温速率为50~500℃/h；程序降温速率为20~60℃/h。优选的，所述的程序升温和降温具体为：室温条件下，温度经1~2h升到460～520℃后，保温6～10h；然后开始降温，在保温温度的基础上，经6～10h降至室温。且程序升温速率为300~500℃/h；程序降温速率为30~50℃/h。本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种Sn

【技术特征摘要】
20200315 CN 20201017891041.一种Sn3P4诱导二维黑磷晶体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）在惰性气氛下，将红磷原料和金属单质锡加入石英管中，抽真空后密封备用；
（2）将步骤（1）中密封好的石英管置于管式炉内，并设定升温、降温程序对石英管进行加热处理，待反应结束后得到块体Sn3P4，研磨成粉末备用；
（3）在惰性气氛下，将红磷原料、步骤（2）Sn3P4粉末和输运剂加入石英管，抽真空后密封备用；
（4）将步骤（3）中密封好的石英管置于管式炉内，并设定升温、降温程序对石英管进行加热处理，待反应结束后，制得二维黑磷晶体。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）和步骤（3）中所述的惰性气氛包括氩气、氮气、氦气中的任意一种。


3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述的金属单质锡包括锡粉、锡箔、锡粒、锡条或锡块中的任意一种或至少两种的组合，且纯度为98％以上。


4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述的红磷原料和金属单质锡的元素摩尔比为P：Sn=3.5~4.5：3。

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【专利技术属性】
技术研发人员：喻学锋，汪建南，王佳宏，
申请(专利权)人：湖北中科墨磷科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42