二维层状插层CuNb2S4晶体材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种二维层状插层CuNb2S4晶体材料及其制备方法，属于二维材料制备领域。该制备方法包括以下步骤：将铜源、铌源和助熔剂的混合物放置于两片衬底之间，并将所述混合物和衬底放置于反应炉的中心温区，其中中心温区的温度控制在850

【技术实现步骤摘要】
二维层状插层CuNb2S4晶体材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及二维材料
，具体涉及一种二维层状插层CuNb2S4晶体材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]二维层状晶体是由单层或少层原子或分子组成，以层内由强共价键或离子键连接，面内由弱的范德瓦尔斯力结合为特征，涵盖了石墨烯、六方氮化硼、黑磷、过渡金属硫化物、金属碳化物和氮化物等材料。其中，二维层状晶体的相邻原子层间的非成键特性使其具备特有的范德瓦尔斯间隙，该间隙的存在有利于各类外来原子、离子或分子的插层，而不破坏主体的面内共价键，由此创建了一具有特殊物理和化学性质的层状插层材料的庞大新家族。
[0003]过渡金属硫化物因其独特的二维结构、物理性质和化学反应活性而被广泛地研究。其中过渡金属硫化物中的电子
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声子和电子
‑
电子相互作用产生的集体电子态，如超导，电荷密度波和莫特绝缘体，在新型电子相互作用的探索中备受瞩目。例如，2H相二硫化铌，其顶层和底层的硫原子以三角棱柱状相互堆叠，铌原子位于三角棱柱的中间，作为同时具备超导性(超导转变温度为7.3K)和电荷密度波的典型材料为研究电荷密度波秩序与超导之间的关系进而揭示新的超导机理提供了优秀的平台。

技术实现思路

[0004]为了实现二维二硫化铌的新物性的开发，将3d过渡金属铜原子插入二硫化铌的范德瓦尔斯间隙，用以调整电子结构，改变其带隙和费米能级，由此可以诱导其各种新的电子和光子运输性能的出现。
[0005]在一示例中，Cu
x
NbS2中存在的各向异性费米面且多能带导体中的两种类型载流子可使其具备强的各向异性磁阻。在另一示例中，可以通过高温化学气相传输方法制备Cu
x
NbS2(x取值范围为0
‑
0.1)，其超导转变温度随着铜含量的增加而降低。在又一示例中，在Cu
0.5
NbS2的变温电阻率测试中，发现其出现了有序
‑
无序的相转变，该转变是由Cu
+
在高温相中的载流子散射造成。
[0006]然而，三元二维层状插层晶体材料的复杂反应过程造成其制备困难，目前未曾有关于二维层状插层CuNb2S4晶体材料制备的相关报导。为了实现关于CuNb2S4晶体材料的基础物理性质研究与应用的开发，该材料制备方法的探索迫在眉睫。
[0007]为了解决现有技术中存在的上述问题和缺陷的至少一个方面，本专利技术的实施例提供了一种二维层状插层CuNb2S4晶体材料的制备方法和一种二维层状插层CuNb2S4晶体材料。
[0008]根据本专利技术的一个方面，提供了一种二维层状插层CuNb2S4晶体材料的制备方法，其中，所述制备方法包括以下步骤：
[0009]将铜源、铌源和助熔剂的混合物放置于两片衬底之间，并将所述混合物和衬底放
置于反应炉的中心温区，其中中心温区的温度控制在850
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950摄氏度；
[0010]将硫源放置于反应炉中并位于中心温区的上游区域，距离中心温区18
‑
20厘米；
[0011]在反应炉中通入还原性气体和惰性气体的混合气体，所述混合气体将硫蒸汽输送至中心温区，所述还原性气体和硫蒸汽与中心温区的铜源和铌源反应，并在衬底上沉积，从而获得二维层状插层CuNb2S4晶体材料。
[0012]根据本专利技术的另一方面，提供了一种二维层状插层CuNb2S4晶体材料，其中，所述二维层状插层CuNb2S4晶体材料是根据前述实施例中任一实施例所述的制备方法制备而成的。
[0013]在本专利技术的实施例中，为了形成二维层状插层CuNb2S4晶体材料，需要同时确保反应温度、硫源供应、液态环境和提供限域空间，具体来说：
[0014](1)本专利技术的实施例利用熔点低于金属源的助熔剂降低金属源的熔点，在高温下，熔融的助熔剂可以为三元化合物的反应提供液态环境并促进反应的进行。
[0015](2)本专利技术的实施例需要将反应温度控制在850
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950摄氏度，这样能够确保生成二维层状插层CuNb2S4晶体材料，在反应温度低于850摄氏度时，反应温度无法达到CuNb2S4所需活化能，铜原子并没有足够的能量扩散和插入到2H
‑
NbS2的层间空隙，从而在反应过程中更多地形成硫化铌，故需要将温度设置为不低于850摄氏度。但是反应温度不能太高，在反应温度高于950摄氏度时，反应过于剧烈，形成的产物厚度很大甚至是块状结构。
[0016](3)本专利技术的实施例需要确保反应过程中有充分的硫源供应，以允许提供满足三元化合物所需的硫源。为此，需要将反应温度(即，中心温区)控制在850
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950摄氏度，将硫源置于中心温区的上游并距离中心温区18
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20cm处，同时提供混合气体以利用混合气体输送硫蒸汽至中心温区。温度的设置允许硫源形成适量的硫蒸汽参与反应。同时，还需要控制硫源放置的位置，以控制硫源的供应。如果硫源距离中心温区过远，硫蒸汽的产生较少，故载气向中心温区传输的硫就少，故不能满足三元产物所需的硫量，生成不了该比例的三元产物；如果所述距离过近，则会造成反应剧烈进行，出现样品刻蚀甚至降解的现象。
[0017](4)本专利技术的实施例需要使得反应在两片衬底之间进行，以提供限域空间，由此在反应过程中(在两片衬底之间)提供适当压力，这种压力可以使得铜原子进入2
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HNbS2晶体的层间间隙，由此可以确保形成CuNb2S4。
[0018]本专利技术实施例的二维层状插层CuNb2S4晶体材料及其制备方法工艺简单、高效便捷。所述制备方法获得的晶体材料的晶体结构和表面形态可控，故具有较好的重复性。而且，本专利技术的实施例获得了大尺寸的薄层样品。因此，本专利技术的实施例为CuNb2S4晶体材料的基础物理性质研究与应用的开发提供全新的思路。
附图说明
[0019]本专利技术的这些和/或其他方面和优点从下面结合附图对优选实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0020]图1示出了根据本专利技术实施例的二维层状插层CuNb2S4晶体材料制备方法的流程图；
[0021]图2示出了适用于本专利技术实施例所述的二维层状插层CuNb2S4晶体材料制备方法的装置示意图；
[0022]图3a
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3f分别为本专利技术实施例1
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6中制备的二维层状插层CuNb2S4晶体材料的形貌
光学图片；
[0023]图4是本专利技术实施例4所制备的二维层状插层CuNb2S4晶体材料的拉曼光谱；
[0024]图5是本专利技术实施例4所制备的二维层状插层CuNb2S4晶体材料的晶体结构表征图。
具体实施方式
[0025]下面通过实施例，并结合附图，对本专利技术的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本专利技术实施方式的说明旨在对本专利技术的总体专利技术构思进行本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种二维层状插层CuNb2S4晶体材料的制备方法，其中，所述制备方法包括以下步骤：将铜源、铌源和助熔剂的混合物放置于两片衬底之间，并将所述混合物和衬底放置于反应炉的中心温区，其中中心温区的温度控制在850
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950摄氏度；将硫源放置于反应炉中并位于中心温区的上游区域，距离中心温区18
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20厘米；在反应炉中通入还原性气体和惰性气体的混合气体，所述混合气体将硫蒸汽输送至中心温区，所述还原性气体和硫蒸汽与中心温区的铜源和铌源反应，并在衬底上沉积，从而获得二维层状插层CuNb2S4晶体材料。2.根据权利要求1所述的二维层状插层CuNb2S4晶体材料的制备方法，其中，还原性气体和硫蒸汽在中心温区与铜源和铌源反应3
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15分钟。3.根据权利要求2所述的二维层状插层CuNb2S4晶体材料的制备方法，其中，所述铜源包括铜粉，所述铌源包括五氧化二铌，所述硫源包括硫粉和硫块中的至少一种，所述助熔剂包括碘化钾、溴化钾和氯化钠中的至少一种。4.根据权利要求3所述的二维层状插层CuNb2S4晶体材料的制备方法，其中，所述助熔剂为碘化钾，铜粉、五氧化二铌和碘化钾的摩尔比为在1：1：1到10：10：1的范围内，并且铜粉和五氧化二铌的摩尔比为1：1。5.根据权利要求4所述的二维层状插层CuNb2S4晶体材料的制备方法，其中，在所述硫源为硫粉且所述硫粉的用量为0.3
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0.6克时...

【专利技术属性】
技术研发人员：周家东，孔德男，刘瑞斌，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：