一种基于化学气相传输制备的单层CrI3薄片及方法技术

本发明专利技术公开了一种基于化学气相传输制备的单层CrI3薄片及方法，属于二维铁磁性材料技术领域，解决了目前制备单层CrI3时存在制备环境要求高、实验成本高、效率低和尺寸小等的技术问题。本发明专利技术公开的基于化学气相传输制备单层CrI3薄片的方法，将Cr原料、结晶碘粉末和传输剂粉末通过程序控制温度条件，制备具有大面积的单层CrI3薄片，该方法制备过程涉及材料少，操作简单，效率高，成本低，具备大规模生产的优势。通过该方法制备得到的单层CrI3薄片，面积大，纯度高，应用范围广。应用范围广。应用范围广。

【技术实现步骤摘要】
一种基于化学气相传输制备的单层CrI3薄片及方法


[0001]本专利技术属于二维铁磁性材料
，具体涉及一种基于化学气相传输制备的单层CrI3薄片及方法。

技术介绍

[0002]铁磁性是物质的一种基本量子性质，具体是指物质中的电子由于交互作用，磁矩排列趋向一致从而在宏观上呈现磁化的现象。人类对于磁现象的发现利用已有数千年的历史，近代随着量子力学和固体理论的发展，对磁性的起源研究越来越深入，例如磁性与维度之间的关系。过去科学家在理论上预测二维各向同性的铁磁性不存在，然而2017年科学家们在二维的三碘化铬(CrI3)中发现了铁磁性长程有序，这为磁学的研究开启了新的篇章。CrI3作为一种层状范德华铁磁体，是研究二维磁性材料的理想平台，其显著特征是单层结构下本征磁性的存在以及与层数相关的铁磁依赖性。单层的CrI3呈现铁磁态，双层的CrI3为层间反铁磁，三层的CrI3又重新呈现出铁磁态，这意味着二维CrI3在数据存储、低温磁光电器件以及基于铁磁范德华异质结的超导拓扑效应的研究探索中有着广阔的应用前景。同时它又是一种铁磁绝缘体，在拓扑技术、自旋电子器件、能谷电子学以及非线性光学测量技术的研究中存在着潜在的应用价值。除此以外，CrI3还展现出了其它优异的性能，例如它在谷电子学的研究中是一种理想的磁性基底；它的双层结构能够探测到二次谐波信号，从而进一步拓展了它在光电探测领域中的应用；同时，CrI3是一种对于外界压力极为敏感的材料，已经有相关报道指出它的铁磁性能够由外部压力进一步调控。
[0003]目前，大面积单层CrI3的可控制备研究仍处于起步阶段，原子层厚的CrI3在大气环境中易退化的特性为它的单层或少层的制备带来了极大的挑战，急需开发一种经济性好、可靠性高的制备大尺寸单层CrI3的方法。2019年，Martin等报道了利用封管法在钇稳定氧化锆(YSZ)基底上生长CrX3(X＝F，Cl，Br)纳米片的方法，然而采用此种方法制备出来的CrX3(X＝F，Cl，Br)的样品层厚分布差异很大，其中最薄的CrI3样品的厚度为20nm，制备少层甚至于单层CrI3的方法仍然需要进一步探索。2020年，Peigen Li等利用MBE技术分别在Au(111)基底和HOPG基底上制备得到了单层的CrI3。目前，虽然已有分子束外延法(MBE)制备CrI3单层的技术被报道，但是采用此方法制备CrI3对实验环境要求苛刻且实验成本较高，所制备的CrI3尺寸停留在纳米级别，无法满足进一步的物性测试。目前单层CrI3常采用的制备方法是在惰性气氛条件下进行机械剥离，这种方法效率低下，有着较大的不确定性且需要大量的机械重复劳动，难以实现产业化应用。

技术实现思路

[0004]为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种基于化学气相传输制备的单层CrI3薄片及方法，用以解决目前制备单层CrI3时存在制备环境要求高、实验成本高、效率低和尺寸小等的技术问题。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
[0006]本专利技术公开了一种基于化学气相传输制备单层CrI3薄片的方法，包括以下步骤：
[0007]将Cr原料、结晶碘粉末和传输剂粉末放入容器中进行混合后，得到原料混合物，再抽真空，随后将容器放入化学气相传输加热设备中进行热处理；所述传输剂粉末为氟化钾粉末、氯化钾粉末和溴化钾粉末中的一种或多种；
[0008]所述化学气相传输加热设备具有原料区和反应区，容器放置在原料区，反应区内放置有基底；
[0009]热处理后，原料区中原料混合物在真空条件下以气流的传输形式带到反应区内，在基底表面反应生长后得到单层CrI3薄片。
[0010]进一步地，所述Cr原料、结晶碘粉末和传输剂粉末的用量比为(1～2)：(3～14)：(1～2)；所述Cr原料的形态为Cr的块状或Cr粉末。
[0011]进一步地，抽真空后，容器内的压强≤1.7
×
10
‑4Pa。
[0012]进一步地，所述化学气相传输加热设备为双温区管式炉，所述双温区管式炉的内部具有原料区和反应区。
[0013]进一步地，在进行热处理时，原料区的热处理参数为：以6℃/min～8℃/min的升温速度从室温升温至850℃～950℃，再经2h～3h恒温后冷却至室温；反应区的热处理参数为：4℃/min～5℃/min的升温速度从室温升温至550℃～600℃，再经2h～3h恒温后冷却至室温。
[0014]进一步地，所述冷却至室温的方式为自然降温、空气降温或水冷降温。
[0015]进一步地，所述基底为云母，无定形石英玻璃，蓝宝石或高定向热解石墨。
[0016]本专利技术还公开了采用上述基于化学气相传输制备单层CrI3薄片的方法制备得到的单层CrI3薄片。
[0017]进一步地，所述单层CrI3薄片的尺寸为30μm～50μm。
[0018]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0019]本专利技术公开了一种基于化学气相传输制备单层CrI3薄片的方法，该方法采用化学气相传输技术，将Cr原料、结晶碘粉末和传输剂粉末通过程序控制温度条件，制备具有大面积的单层CrI3薄片。相比于传统的熔融法制备生长材料，对于高熔点的化合物的制备显得十分有限，主要是由于某些反应物会在熔融点处发生解离或者只有在不断升高压力的情况下才会发生熔融，这就对实验条件提出了更高的要求；而本专利技术公开的方法由于采用化学气相传输技术，让反应组分在真空条件下被气流以传输的形式带到特定空间区域内进行反应并生长，反应组分即使在熔点处也不会解离，制备过程效率高，反应条件易控制，有利于实现产业化应有。采用氟化钾粉末、氯化钾粉末和溴化钾粉末中的一种或多种作为传输剂粉末，研究熔盐种类和生长基底对于CrI3薄膜晶体外延生长的影响；该方法既解决了从块体CrI3剥离CrI3薄层所存在的效率低和可控性差等问题，也解决了基于MBE制备技术获得的单层CrI3尺寸仅为纳米量级的问题，该方法制备过程涉及材料少，操作简单，仅需设置好程序参数以及放置反应材料就可以进行目标材料的生长，同时效率高，成本低，具备大规模生产的优势。
[0020]本专利技术还公开了采用上述制备方法制备得到的一种单层CrI3薄片，所述单层CrI3薄片面积大，纯度高，可满足各种物性测试条件，应用范围广。
附图说明
[0021]图1为原料区和反应区的升温恒温程序曲线图；
[0022]图2为实施例1制备得到的一种单层CrI3薄片的光学显微图；
[0023]图3为实施例1制备得到的一种单层CrI3薄片的光学图像及其对应的掩模图；
[0024]图4为实施例2制备得到的一种单层CrI3薄片的光学显微图；
[0025]图5为实施例2制备得到的一种单层CrI3薄片的光学图像及其对应的掩模图；
[0026]图6为实施例3制备得到的一种单层CrI3薄片的光学显微图；
[0027]图7为实施例3制备得到的一种单层CrI3薄片的光学图像及其对应的掩模图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于化学气相传输制备单层CrI3薄片的方法，其特征在于，包括以下步骤：将Cr原料、结晶碘粉末和传输剂粉末放入容器中进行混合后，得到原料混合物，再抽真空，随后将容器放入化学气相传输加热设备中进行热处理；所述传输剂粉末为氟化钾粉末、氯化钾粉末和溴化钾粉末中的一种或多种；所述化学气相传输加热设备具有原料区和反应区，容器放置在原料区，反应区内放置有基底；热处理后，原料区中原料混合物在真空条件下以气流的传输形式带到反应区内，在基底表面反应生长后得到单层CrI3薄片。2.根据权利要求1所述的一种基于化学气相传输制备单层CrI3薄片的方法，其特征在于，所述Cr原料、结晶碘粉末和传输剂粉末的用量比为(1～2)∶(3～14)∶(1～2)；所述Cr原料的形态为Cr的块状或Cr粉末。3.根据权利要求1所述的一种基于化学气相传输制备单层CrI3薄片的方法，其特征在于，抽真空后，容器内的压强≤1.7
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10
‑4Pa。4.根据权利要求1所述的一种基于化学气相传输制备单层CrI3薄片的方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：程迎春，时健，罗小光，刘凡，徐金鹏，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：