一种楔形硫属化物纳米片及制备方法技术

本发明专利技术涉及磁性硫属化合物的制备领域，具体公开了一种具有较高室温矫顽力的楔形铜铁基磁性硫属化物纳米片，所述硫属化物纳米片组成为CuFeS2，所述纳米片的晶体结构为四方晶体结构，所述CuFeS2纳米片边缘为斜坡状楔形结构，CuFeS2纳米片为六边形形貌，直径为100

【技术实现步骤摘要】
一种楔形硫属化物纳米片及制备方法


[0001]本专利技术属于三元过渡金属磁性硫属化合物的制备领域，具体涉及一种楔形铜铁基磁性硫属化物纳米片及制备方法。

技术介绍

[0002]与铁磁性材料相比，反铁磁材料由于具有抗干扰能力强、能量损耗小、响应频率高等优点，在自旋电子学领域具有巨大的应用潜力。作为磁性材料中的一员，二维磁性材料具有超薄的厚度，可以很容易地集成到异质结构器件中，是物理学基础研究和磁性器件发展的理想平台，因此，二维磁性材料受到了人们的广泛关注。二维材料具有完全不同于块体材料的铁磁或反铁磁性，并且磁性取决于二维材料的层数或晶体厚度，这种层依赖的磁性变化能满足器件设计和制造中的不同需求。然而，目前实验上证实的具有本征磁性的二维材料的种类和数量十分有限，而且合成方法及磁性调控手段相对单一，极大地制约了该领域的发展。阳离子交换法在获取二维结构方面极具优势，通过将具有本征磁性的三维材料剪薄到二维尺度，有望获得具有新颖体积特性和二维结构特性的新功能。三元铜基硫化物CuFeS2是一种典型的反铁磁材料，具有较高的奈尔温度(T
N
＝823K)，这种高的奈尔温度对室温自旋电子学器件的应用至关重要。因此，开发一种可控合成具有高室温矫顽力的铜铁基磁性硫化物的方法不仅可以拓宽二维磁性材料的合成路径，还能驱动室温自旋电子学的飞速发展。
[0003]目前，已经有文献报道了许多CuFeS2的制备方法。比如，通过水热法合成平均尺寸为70nm的方形CuFeS2纳米片，纳米片在室温下的矫顽力仅为281Oe[Bo L,et al.Electrical and Magnetic Properties of FeS
2 and CuFeS
2 Nanoplates,RSC Advances,2015,5(111)91103
‑
91107.]；通过阳离子交换法合成了尺寸约15nm的纳米颗粒并研究了配体强度对颗粒相结构的影响[Janet E.Macdonald et al.,Tolman
’
s Electronic Parameter of the Ligand Predicts Phase in the Cation Exchange to CuFeS Nanoparticles，Nano Letters,2020,20(12)8556
‑
8562]。现有技术制备的CuFeS2纳米晶不具有室温铁磁性或室温磁性较小，矫顽力只有280Oe左右，不能满足使用。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供一种具有较高室温矫顽力的楔形CuFeS2纳米片及制备方法，解决了现有技术中CuFeS2纳米晶不具有室温铁磁性或室温磁性较小的问题。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：一种铜铁基磁性硫属化物纳米片，所述硫属化物纳米片组成为CuFeS2，所述纳米片的晶体结构为四方晶体结构，所述CuFeS2纳米片边缘为斜坡状楔形结构，CuFeS2纳米片为六边形形貌，直径为100
‑
200nm，厚度为5
‑
60nm。
[0006]进一步，纳米片在室温300K下矫顽力可达8.8kOe，低温5K下矫顽力仅有2.2kOe，同时低温下出现了软硬磁耦合和交换偏置效应。
[0007]一种上述的CuFeS2纳米片的制备方法，包括以下步骤：
[0008]有机液相反应：将含有Cu源的油胺溶液升温至80
‑
120℃,惰性气氛保护下加入含有S源的混合溶液，反应得到CuS纳米片，混合溶液降温待用；
[0009]阳离子交换反应：将Fe源加入上述冷却后的混合溶液中，在惰性气氛保护下加热至60
‑
140℃，保温5
‑
30min，继续升温至240
‑
380℃反应0
‑
2h，得到CuFeS2纳米片。
[0010]进一步地，所述制备方法中原料S源的摩尔量是Cu源的1
‑
5倍；原料Fe源的摩尔量是CuS纳米片的0.25
‑
5倍，所述Cu源为碘化亚铜或硝酸铜，所述Fe源为乙酰丙酮铁或氯化亚铁。
[0011]进一步地，所述有机液相反应中的升温速率为5
‑
10℃/min，反应时间为1
‑
7h。
[0012]进一步地，所述Cu源为碘化亚铜；所述S源为硫粉；所述Fe源为乙酰丙酮铁或氯化亚铁。
[0013]进一步，步骤(2)中升温至240
‑
380℃后，立即停止加热或反应1
‑
120min后再停止加热。这样操作都可得到CuFeS2纳米片，反应时间能调节纳米片厚度。
[0014]本专利技术技术方案，具有如下优点：
[0015](1)传统化学法合成非层状的二维三元或四元材料时，由于前驱体反应活性不同会导致二次相的形成。本专利技术利用二元CuS纳米片晶格中Cu离子的迁移性，巧妙地选择阳离子交换法制备二维三元纳米片，利用三价Fe离子逐步取代CuS中的一价Cu离子进而转换为三元材料，这种方法能够保持模板的六边形形貌，反应过程中Cu元素的价态也会保持不变，最终形成具有与前驱体相同元素价态和相同形貌的六边形CuFeS2纳米片。
[0016](2)本专利技术提供的三元铜铁基磁性硫属化合物纳米片为四方晶体结构，所述纳米片边缘为斜坡状，具有类似楔形的六边形结构，尺寸和厚度均匀，并且能够可控形成，其直径在100
‑
200nm，厚度在5
‑
60nm左右可调。利用液相法合成这种独特的楔形纳米片结构的研究还未有所报道。
[0017](3)与传统方法相比，本技术选择有机液相法和阳离子交换法相结合，采用低于380℃的反应温度和少于2h的反应时间即可获得楔形CuFeS2纳米片，不需要超高反应温度和超长反应时间，合成CuS模板后不需要离心、洗涤等操作，Fe源也不需要溶解，直接加入含有CuS模板的混合溶液中即可进行下一步的阳离子交换反应，不仅简单易行，而且大幅度降低了成本。
[0018](4)与传统形貌的CuFeS2纳米晶相比，本专利技术提供的楔形CuFeS2纳米片在常温下和低温下都有铁磁性，室温矫顽力高达8.8kOe，低温下矫顽力仅有2.2kOe，正常情况下磁性材料随着温度的降低矫顽力会升高，但本专利技术提供的楔形CuFeS2纳米片随温度的降低，矫顽力明显下降，同时低温5
‑
100K下出现了软硬磁耦合和交换偏置效应。
附图说明
[0019]图1为本专利技术实施例1所得CuFeS2纳米片的XRD图谱；
[0020]图2为本专利技术实施例1所得CuFeS2纳米片的SEM图；
[0021]图3为本专利技术实施例1所得CuFeS2纳米片的TEM图；
[0022]图4为本专利技术实施例1所得CuFeS2纳米片的M
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H图；
[0023]图5为本专利技术实施例2所得CuFe本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铜铁基磁性硫属化物纳米片，其特征在于，所述硫属化物纳米片组成为CuFeS2，所述纳米片的晶体结构为四方晶体结构，所述CuFeS2纳米片边缘为斜坡状楔形结构，CuFeS2纳米片为六边形形貌，直径为100
‑
200nm，厚度为5
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60nm。2.根据权利要求1所述铜铁基磁性硫属化物纳米片，其特征在于：纳米片在室温300K下矫顽力可达8.8kOe，低温5K下矫顽力仅有2.2kOe，同时低温下出现了软硬磁耦合和交换偏置效应。3.根据权利要求1
‑
2任一项所述的铜铁基磁性硫属化物纳米片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)有机液相反应：将Cu源溶于油胺中，升温至80
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120℃，惰性气体保护下加入含有S源的混合溶液，反应2
‑
8h得到CuS纳米片，混合溶液降温待用；(2)阳离子交换反应：将Fe源加入上述冷却后的混合溶液中，惰性气氛保护下加热至60
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140℃，保温5
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30min，继续升温至240
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【专利技术属性】
技术研发人员：王兰芳，许小红，付金智，刘文姣，丁瑞芳，张泰淞，
申请(专利权)人：山西师范大学，
类型：发明
国别省市：