一种磷化金纳米片及其可控制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种磷化金纳米片及其可控制备方法与应用。所述制备方法包括：将作为含磷前驱体的磷源和矿化剂置于反应腔室的第一区域；将设置有金膜的衬底相互堆叠设置，且置于反应腔室的第二区域，且所述第一区域比第二区域的工作温度高10～100℃；使所述反应腔室升温，从而使磷源和矿化剂气化产生含磷气体，以及使衬底表面的金蒸发并在衬底上形成成核点，之后降温，在成核点的诱导下使所述含磷气体与金反应外延生长形成磷化金纳米片。本发明专利技术采用的化学气相输运方法操作简单安全，可控性高且可重复性强，制备的磷化金纳米片具有产量高、纯度高、表面粗糙度低、厚度均一、形貌可控等优点，将在催化、半导体器件等领域具有广泛的应用。

【技术实现步骤摘要】
一种磷化金纳米片及其可控制备方法与应用
本专利技术涉及一种磷化金纳米片及其可控制备方法与应用，属于纳米材料及纳米半导体

技术介绍
过渡金属磷化物在电子、半导体、催化剂、储氢、锂电池和磁性器件等领域有着广泛的应用。它是由原子半径较大的非金属元素磷填隙在金属原子晶格内形成的。由于它结构的特殊性，具备了其他化合物所没有的性质。在这一广泛而多样的材料群体中，磷化金(Au2P3)的研究还处于起步阶段，其具有独特的光学和电子性质。Au2P3在InP(磷化铟，一种半导体材料)和Au电极的欧姆接触方面的研究最为广泛，在InP上沉积Au电极时，在400℃烧结后Au-InP系统的接触电阻会下降2到3个数量级，这是金属半导体界面形成薄层(2nm)Au2P3层的结果(WeizerVG,FatemiNS.Journalofappliedphysics,1991,69(12):8253-8260.)。因此，Au2P3能够显著降低金半接触的肖特基势垒，在半导体器件和集成电路领域有着广阔的应用前景。近年来，研究者发现过渡金属磷化物在催化析氢反应方面有了新的应用，为在纳米尺度上合成这些材料提供了动力。2016年DeshaniFernando等以三辛基膦为元素磷源，通过溶液方法合成了纳米结构的Au2P3，纳米颗粒(直径约30nm)聚集形成纳米网络状结构，在析氢反应中证明了纳米Au2P3是高效的析氢催化剂(FernandoD,NigroTAE,DyerID,etal.JournalofSolidStateChemistry,2016,242:182-192.)。早期对块状多晶磷化金的研究报道了多相和多组分Au2P3的合成，后来发现它们含有额外的元素和污染物。1979年JeitschkoW等通过元素金与红磷粉末的直接反应，合成了微晶块体Au2P3，并确定Au2P3为唯一稳定的金磷化合物相。通过结晶样品，研究者对单斜Au2P3的进行了结构分析，提供了完整的粉末衍射数据和结构描述，除此之外，对其光学，导电性或声子特性了解甚少(JeitschkoW,MH.ActaCrystallographicaSectionB:StructuralCrystallographyandCrystalChemistry,1979,35(3):573-579.)。最近MichaelSnure等使用三温区管式炉，磷化氢(PH3)作磷源、氢气(H2)为载气，通过简单的化学气相沉积(CVD)在金箔上制备了厚度不均的磷化金薄膜(约300nm)，首次报道了这种材料的拉曼振动模式分析。同时通过密度泛函理论(DFT)计算进一步提供了这种材料块体的电子结构和光学性质，能带结构计算推测Au2P3是一种带隙为0.16eV的间接带隙半导体，在半导体器件领域前景广泛(SnureM,PrusnickT,BiancoE,etal.Materials,2019,12(4):555.)。然而，由于Au2P3的合成极具有挑战性，目前还没有方法来控制其纯度、形状或尺寸，因此许多物理性质在纳米尺度上还没有得到充分的研究，使人们对于这种材料充满研究兴趣。现有磷化金制备方法主要包括直接合成法、溶液法以及化学气相沉积法，但是该些方法还存在以下缺点：1.直接合成法制备的样品含有杂质和污染物，且只能合成形貌不可控的块材；2.溶液法操作复杂，只能合成纯度、形状或尺寸不可控的纳米颗粒；3.化学气相沉积(CVD)法原料有剧毒，合成的样品薄片厚度不均，形貌不可控。因此，基于纳米尺度磷化金在催化、半导体器件等领域的广泛应用，及其难以合成的特点，专利技术一种价格低廉、可控性强、操作简单、可重复制备磷化金(Au2P3)纳米片的方法具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种简易制备厚度均一的磷化金(Au2P3)纳米片的方法，从而克服了现有技术中的不足。本专利技术的另一目的在于提供前述制备的磷化金纳米片的应用。为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：本专利技术实施例提供了一种磷化金纳米片的可控制备方法，其包括：将作为含磷前驱体的磷源和矿化剂置于化学气相输运设备的反应腔室的第一区域；将设置有金膜的衬底相互堆叠设置，且置于所述反应腔室的第二区域，且所述第一区域比第二区域的工作温度高10～100℃；使所述反应腔室升温，从而使所述磷源和矿化剂气化产生含磷气体，以及使衬底表面的金蒸发并在衬底上形成成核点，之后降温，在成核点的诱导下使所述含磷气体与金反应外延生长形成磷化金纳米片。在一些实施例中，所述可控制备方法包括：将磷源和矿化剂置于所述反应腔室的第一区域，将设置有金膜的衬底置于所述第二区域，之后抽真空至所述反应腔室的真空度小于0.1Pa；加热使所述反应腔室的温度升温至600～850℃，并保温2～5h，之后降温至450～550℃，并保温1～5h，再冷却至室温，从而在所述相互堆叠的衬底之间的间隙中外延生长形成所述磷化金纳米片。进一步地，所述磷源包括白磷、红磷、能够受热分解生成含磷气体的含磷化合物中的任意一种或两种以上的组合。进一步地，所述矿化剂包括四碘化锡、锡、金、金锡合金中的任意一种或两种以上的组合。本专利技术实施例还提供了由前述方法制备的磷化金纳米片，所述磷化金纳米片的宽度为10-20μm，长度为20-300μm，厚度为100～500nm，其表面的算术平均粗糙度(Ra)为1～4nm，均方根粗糙度(Rq)为2～6nm。本专利技术实施例还提供了前述磷化金纳米片于催化或半导体器件领域中的应用。较之现有技术，本专利技术的有益效果至少在于：1)本专利技术通过将磷源、堆叠的生长衬底和矿化剂置于石英管的不同位置，通过一种简单的化学气相输运的方法，成功制备了厚度均一、形貌可控的二维磷化金(Au2P3)单晶纳米片，将在催化、半导体器件等相关领域具有广泛的应用；2)本专利技术通过衬底堆叠的方式限制了磷化金纳米片的纵向生长，有利于磷化金纳米片的形成，并且控制其厚度，同时提高了生长衬底的总面积，提升磷化金纳米片的产量；3)本专利技术采用的化学气相输运(CVT)方法操作简单安全，原料价格低廉，生产设备简易成本低，可控性高且可重复性强，适用于磷化金纳米片的大面积生产，满足实际应用中的研究需求以及产业化需求，制备的磷化金纳米片具有产量高、纯度高、表面粗糙度低、厚度均一、形貌可控等优点；并且可以直接生长于硅/二氧化硅衬底之上，有利于进行原位微纳加工，便于大规模器件的研发和应用。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本专利技术一典型实施方案中提供的磷化金纳米片的可控制备方法的流程示意图。图2是本专利技术一典型实施方案中提供的磷化金纳米片的光学显微镜图像。图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种磷化金纳米片的可控制备方法，其特征在于包括：/n将作为含磷前驱体的磷源和矿化剂置于化学气相输运设备的反应腔室的第一区域；/n将设置有金膜的衬底相互堆叠设置，且置于所述反应腔室的第二区域，且所述第一区域比第二区域的工作温度高10～100℃；/n使所述反应腔室升温，从而使所述磷源和矿化剂气化产生含磷气体，以及使衬底表面的金蒸发并在衬底上形成成核点，之后降温，在成核点的诱导下使所述含磷气体与金反应外延生长形成磷化金纳米片。/n

【技术特征摘要】
1.一种磷化金纳米片的可控制备方法，其特征在于包括：
将作为含磷前驱体的磷源和矿化剂置于化学气相输运设备的反应腔室的第一区域；
将设置有金膜的衬底相互堆叠设置，且置于所述反应腔室的第二区域，且所述第一区域比第二区域的工作温度高10～100℃；
使所述反应腔室升温，从而使所述磷源和矿化剂气化产生含磷气体，以及使衬底表面的金蒸发并在衬底上形成成核点，之后降温，在成核点的诱导下使所述含磷气体与金反应外延生长形成磷化金纳米片。


2.根据权利要求1所述的可控制备方法，其特征在于包括：
将磷源和矿化剂置于所述反应腔室的第一区域，将设置有金膜的衬底置于所述第二区域，之后抽真空至所述反应腔室的真空度小于0.1Pa；
加热使所述反应腔室的温度升温至600～850℃，并保温2～5h，之后降温至450～550℃，并保温1～5h，再冷却至室温，从而在所述相互堆叠的衬底之间的间隙中外延生长形成所述磷化金纳米片。


3.根据权利要求1所述的可控制备方法，其特征在于：在加热过程中，所述升温的速率为1～20℃/min；和/或，所述降温的速率为0.5～5℃/min。


4.根据权利要求1所述的可控制备方法，其特征在于：所述衬底表面的金蒸发至相邻上一层衬底上并形成成核点，所述含磷气体与金在该相邻上一层衬底上进行反应。


5.根据权利要求1所述的可控制备方法，其特征在于：所述磷源包括白磷、红磷、能够受热分解生成含磷气体的含磷化合物中的任意一种或两种以上的组...

【专利技术属性】
技术研发人员：张凯，陈捷，陈晨，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32