一种具有高电导率的硫化铋半导体材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种具有高电导率的硫化铋半导体材料及其制备方法和应用，属于半导体材料合成技术领域，先采用硫脲与五水合硝酸铋进行水热反应，再经煅烧后，得到具有高电导率的硫化铋半导体材料；相比于其他方法，采用水热反应的设备和原料易得、过程简单、耗能少、产物粒径较小，经过放电等离子烧结后，可以同时实现温度和压力变化，且可在短时间内迅速升温，避免在升温过程中晶粒的二次生长；制得的具有高电导率的硫化铋半导体材料有更优异的电导率，在323～523K范围内，电导率达25～32S/cm，远高于现有技术中硫化铋半导体材料的电导率；在光电传感器、光电探测器、光电二极管、高温航天器超长寿命电源、自供电传感器以及热电器件中都有很好的应用前景。中都有很好的应用前景。中都有很好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种具有高电导率的硫化铋半导体材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于半导体材料合成
，具体涉及一种具有高电导率的硫化铋半导体材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]根据导电性的不同，自然界中的材料可被分为导体、半导体、绝缘体三大类，半导体材料是指具有半导体性能，可能用于制作半导体器件的电子材料。近年来随着半导体材料领域的不断发展，硫化物，尤其是二元硫化物(Bi2S3，PbS，CdS，和Ag2S等)，因其具有独特的物理和化学性能、价格低廉、所含元素高丰度和环境友好等优点被广泛应用在半导体能源转化材料及器件(如光电、光伏、热电和电池等)、化学(催化和光致发光)及电化学领域(电化学传感器等)等领域。
[0003]硫化铋(Bi2S3)是一种
Ⅴ‑Ⅵ
族的半导体材料，晶胞参数a＝1.1149nm，b＝1.1304nm，c＝0.3981nm，在室温下的带隙能为1.33eV，能带间隙为1.3～1.7eV，属于直接带隙半导体材料。硫化铋半导体材料更是凭借优异的光电效应、非线性光学响应、热电效应和可见光波段吸收度等独特的优势，广泛应用于光电传感器、光电探测器、热电器件和光电二极管阵列等器件上。Ge等人利用机械合金化法制备纯相的硫化铋半导体材料，在323K～573K温度范围内，其电导率仅在4～12S/cm浮动(Ge Z H,Zhang B P,Liu Y,et al.Nanostructured Bi2‑
x
Cu
x
S
3 bulk materials with enhanced thermoelectric performance[J].Physical Chemistry Chemical Physics,2012,14(13):4475
‑
4481.)；Yang等人利用真空熔炼法制备的纯相硫化铋半导体材料在323～723K温度区间内，其电导率最大仅为5S/cm(Yang J,Yu L,Wang T,et al.Thermoelectric properties of n
‑
type Cu
x
Bi2S3materials fabricated by plasma activated sintering[J].Journal of Alloys and Compounds,2019,780:35
‑
40.)；Zhao等人利用溶剂热法合成的硫化铋半导体材料，为了提升电导率，除添加Bi源和S源之外，还加入了KBr和PVP两种物质，调控出形貌为直径10nm左右的纳米线堆积形成的棉花状硫化铋材料，在323～523K温度区间内，取得最大电导率为20S/cm(Zhao W,Jin K,Fu L,et al.Mass Production of Pt Single
‑
Atom
‑
Decorated Bismuth Sulfide for n
‑
Type Environmentally Friendly Thermoelectrics[J].Nano Letters,2022,22(12):4750
‑
4757.)；Guo等人在水热法合成纯硫化铋的过程中添加了硫基乙酸作为添加剂，通过控制形貌制备由薄片组成的弯曲棒状形貌硫化铋，以构建新的导电网络，在323～523K温度区间内，取得电导率不到10S/cm，(Guo J,Yang J,Ge Z H,et al.Realizing high thermoelectric performance in earth
‑
abundant Bi2S
3 bulk materials via halogen acid modulation[J].Advanced Functional Materials,2021,31(37):2102838.)。
[0004]上述实验方法制得的硫化铋，电导率较低，严重限制了硫化铋半导体材料在半导体能源转化材料，光电、光伏、热电和电池等器件，催化化学，光致发光材料，电化学传感器等领域的进一步开发和应用，需要对其进行改性研究以提高硫化铋半导体材料的电导率。

技术实现思路

[0005]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具有高电导率的硫化铋半导体材料及其制备方法和应用，以解决现有技术中硫化铋半导体材料电导率较低的技术问题。
[0006]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：
[0007]本专利技术公开了一种具有高电导率的硫化铋半导体材料的制备方法，包括：将硫脲加入五水合硝酸铋溶液中，搅拌充分后，先进行水热反应，冷却至室温，离心，干燥，经放电等离子煅烧后，得到具有高电导率的硫化铋半导体材料。
[0008]优选地，实验原料仅涉及硫脲和五水合硝酸铋，实验过程中不再添加其他物质，所述硫脲：五水合硝酸铋的质量比为(1.03～1.568)：(2.51～3.11)。
[0009]优选地，五水合硝酸铋溶液由每2.51～3.11g五水合硝酸铋溶于60～80mL的蒸馏水中，室温下搅拌5～20min制得。
[0010]优选地，水热反应的温度为100～160℃。
[0011]优选地，水热反应的时间为8～16h。
[0012]优选地，煅烧的压力为30～50Mpa，煅烧的温度为300～500℃，保温时间为2～20min。
[0013]优选地，搅拌的条件为先搅拌10～20min，超声分散15～30min，再次搅拌15～30min。
[0014]优选地，干燥温度为70℃，干燥时间为12h。
[0015]本专利技术还公开了上述制备方法制得的具有高电导率的硫化铋半导体材料，在323～523K范围内，电导率达25～32S/cm。
[0016]本专利技术还公开了上述具有高电导率的硫化铋半导体材料在制备光电传感器、光电探测器、光电二极管、高温航天器超长寿命电源、自供电传感器和热电器件材料中的应用。
[0017]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0018]本专利技术公开了一种具有高电导率的硫化铋半导体材料的制备方法，将硫脲与五水合硝酸铋溶液混合，不再添加其他任何物质，充分搅拌后，先进行水热反应，水热反应实验设备和原料易得、过程简单、耗能少、产物粒径较小，再进行放电等离子煅烧，放电等离子煅烧不仅可以同时实现温度和压力变化，而且可在短时间内迅速升温，避免在升温过程中晶粒的二次生长，得到具有高电导率的硫化铋半导体材料。相比于其他方法制得的硫化铋半导体材料，本专利技术制得的具有高电导率的硫化铋半导体材料，在制备过程中不加入其他添加剂，避免了过量S2‑
在溶液中的游离，过量S2‑
在水热反应过程中容易被还原成S单质，微量的S单质也会对硫化铋物质整体的电导率产生负面作用。而且实验设备和化学试剂易得，工艺条件简单，操作简便，成本低廉，产量较高，工业应用价值高，在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有高电导率的硫化铋半导体材料的制备方法，其特征在于，包括：将硫脲加入五水合硝酸铋溶液中，搅拌充分后，先进行水热反应，冷却至室温，离心，干燥，经放电等离子煅烧后，得到具有高电导率的硫化铋半导体材料。2.根据权利要求1所述的具有高电导率的硫化铋半导体材料的制备方法，其特征在于，实验原料仅涉及硫脲和五水合硝酸铋，实验过程中不再添加其他物质，所述硫脲：五水合硝酸铋的质量比为(1.03～1.568)：(2.51～3.11)。3.根据权利要求1所述的具有高电导率的硫化铋半导体材料的制备方法，其特征在于，所述五水合硝酸铋溶液由每2.51～3.11g五水合硝酸铋溶于60～80mL的蒸馏水中，室温下搅拌5～20min制得。4.根据权利要求1所述的具有高电导率的硫化铋半导体材料的制备方法，其特征在于，所述水热反应的温度为100～160℃。5.根据权利要求1所述的具有高电导率的硫化铋半导体材料的制备方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：张荔，刘辉，董含笑，卜德晓，冉栩久，刘嘉坤，马程，许雨萌，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：