【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于半导体材料，具体涉及一种大尺寸多孔单晶氧化铁半导体材料及应用。
技术介绍
1、氧化铁是一种能利用可见光的环境友好、储量丰富且高效的n型半导体材料。由于具有禁带宽度窄、稳定性好、无毒无害、储量丰富、价格低廉等优点，使其成为光电半导体材料研究的热点且在光电半导体以及光电催化领域展现出良好的应用前景。
2、为进一步提升利用氧化铁半导体材料制成的光电半导体器件性能，人们研究了许多方法，如离子掺杂、构建异质结、贵金属沉积、负载助催化剂等来提升氧化铁材料的性能。由于氧化铁较低的量子效率和光转换效率限制了实际应用，而有序多孔光催化剂具有较大的比表面积和丰富的催化活性位点，有利于提高光收集效率和光生载流子的分离，因此构建有序的多孔结构亦是一种有效的改进方法。然而大部分的多孔材料通常是多晶或非晶结构，其晶粒之间存在晶界等缺陷且稳定性低。单晶材料是在三维空间内由原子、离子、分子等组成的具有周期性排列有序重复结构的三维宏观尺寸材料，因具有长程有序的晶格排布、结构清晰、没有晶界、均匀稳定等特征赋予了材料独特的优点。因此，单晶材料在光电半导体、光电催化、热电转化以及储能等领域具有广泛的应用。
3、氧化铁存在导电性差，空穴扩散长度短、激发态寿命短、水氧化反应缓慢等缺点，导致氧化铁光生载流子复合率高，光电性能并不高。多孔单晶材料通过在原有单晶材料内部引入孔隙结构，并将其与结构相干性相结合从而实现材料改性，具有晶格长程有序、无晶界、表面原子终止层清晰、孔结构可调节以及较高比表面积等特点，兼具了单晶材料和多孔材料的优势。因此
4、综上所述，现有技术中制备纳米多孔单晶材料的常规方法包括化学刻蚀法、化学气相沉积法、模板法、共振渗透法等，其制备方法复杂且需要引入不同的元素，并且所能制备的最大晶体尺寸仅停留在微米量级，而对于在宏观尺寸上厘米级多孔单晶的生长在国际技术上仍是一重大挑战。因此制备大尺寸多孔单晶氧化铁并将其作为光电半导体材料及光电催化剂等是必要的。
技术实现思路
1、针对上述现有技术中尤其多孔单晶半导体材料的问题，本专利技术提供了一种新的大尺寸多孔单晶氧化铁半导体材料，该材料在三维空间具有孔隙尺寸可调并具有自支撑结构，能够进一步提升多孔单晶氧化铁材料作为半导体器件的性能。
2、本专利技术提供如下技术方案：
3、本专利技术提供一种大尺寸多孔单晶氧化铁半导体材料，含有尺寸为5 nm~1500 nm且均匀分布的蠕状结构的孔；所述大尺寸多孔单晶氧化铁半导体材料在三维空间具有刚性的自支撑结构且无需模版支撑；所述大尺寸多孔单晶氧化铁半导体材料兼具纳米单晶骨架以及无序连通的开孔结构；所述大尺寸多孔单晶氧化铁半导体材料为多孔单晶氧化铁薄膜或多孔单晶氧化铁晶体；所述多孔单晶氧化铁薄膜的表面具有多孔单晶氧化铁的(104)晶面、(214)晶面或（110）晶面中的至少一面，所述多孔单晶氧化铁晶体的最大表面具有多孔单晶氧化铁的(104)晶面、(214)晶面或(110)晶面中的至少一面；所述大尺寸多孔单晶氧化铁半导体材料通过将含铁源的化合物大尺寸无孔单晶体作为单晶衬底置于原料气氛中，在高温下进行分解及置换反应，在特定温度下通过断键除去非铁原子的同时，铁原子和氧原子成键并二次结晶进行延伸生长，得到多孔单晶氧化铁半导体材料；所述含铁源的化合物大尺寸无孔单晶体为碳酸亚铁单晶体或含铁硫族化合物单晶体。
4、优选的，所述含铁硫族化合物单晶体为二硫化铁单晶体、硒化亚铁单晶体或碲化亚铁单晶体中的至少一种。
5、优选的，所述原料气氛针对不同单晶衬底进行选择，为氩气、氧氩和空气中的至少一种，气氛流量分别满足以下条件：
6、氩气的流量不低于0.009 slm且不高于100 slm；
7、氧氩的流量不低于0.009 slm且不高于100 slm；
8、空气的流量不低于0.009 slm且不高于100 slm。
9、其中，氩气是99.99%的高纯氩，氧氩是由5%的氧气和95%的氩气组成的混合气体，空气是20%的氧气与80%的氮气组成的混合气体。
10、slm是standard litre per minute的缩写，表示标准状态下1 l/min的流量。
11、优选的，高温分解反应条件为：
12、反应温度473 k~1173 k，恒定负压0.5 torr~900 torr，反应时间10 min~500 h。
13、当选择碳酸亚铁无孔单晶体作为单晶衬底时，反应温度为473 k~1173 k，恒定负压为1 torr~700 torr，反应时间为30 min~100 h；
14、当选择二硫化铁无孔单晶体作为单晶衬底时，反应温度为573 k~1173 k，恒定负压为10 torr~700 torr，反应时间为30 min~100 h；
15、当选择硒化亚铁无孔单晶体作为单晶衬底时，反应温度为573 k~1123 k，恒定负压为10 torr~700 torr，反应时间为10 min~400 h；
16、当选择碲化亚铁无孔单晶体作为单晶衬底时，反应温度为523 k~1023 k，恒定负压为0.5 torr~900 torr，反应时间为10 min~300 h。
17、优选的，所述多孔单晶氧化铁薄膜厚度为10 nm~100 μm。
18、优选的，所述多孔单晶氧化铁晶体尺寸为0.1 cm~20 cm，该尺寸是指多孔单晶氧化铁晶体的宏观最大长度。
19、本专利技术还提供将所述大尺寸多孔单晶氧化铁半导体材料作为光电半导体材料应用于光电转换、光电催化以及电化学储能领域中。
20、大尺寸多孔单晶氧化铁半导体材料可作为传感器的敏感介质制作半导体气敏传感元件。
21、大尺寸多孔单晶氧化铁半导体材料可用作储能材料，多孔结构能够提高电极的活性比表面积和储能性能，可用于新型太阳能电池中。
22、大尺寸多孔单晶氧化铁半导体材料可用于环境保护领域，多孔单晶氧化铁晶体的高比表面积和多孔单晶结构使其具良好的吸附性能和催化性能，可用于催化降解有机污染物。
23、大尺寸多孔单晶氧化铁半导体材料可用作光电催化剂，多孔结构为光电催化反应提供了更多的本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种大尺寸多孔单晶氧化铁半导体材料，其特征在于：含有尺寸为5 nm~1500 nm且均匀分布的蠕状结构的孔；所述大尺寸多孔单晶氧化铁半导体材料在三维空间具有刚性的自支撑结构且无需模版支撑；所述大尺寸多孔单晶氧化铁半导体材料兼具纳米单晶骨架以及无序连通的开孔结构；所述大尺寸多孔单晶氧化铁半导体材料为多孔单晶氧化铁薄膜或多孔单晶氧化铁晶体；所述多孔单晶氧化铁薄膜的表面具有多孔单晶氧化铁的(104)晶面、(214)晶面或（110）晶面中的至少一面，所述多孔单晶氧化铁晶体的最大表面具有多孔单晶氧化铁的(104)晶面、(214)晶面或(110)晶面中的至少一面；所述大尺寸多孔单晶氧化铁半导体材料通过将含铁源的化合物大尺寸无孔单晶体作为单晶衬底置于原料气氛中，在高温下进行分解及置换反应，在特定温度下通过断键除去非铁原子的同时，铁原子和氧原子成键并二次结晶进行延伸生长，得到多孔单晶氧化铁半导体材料；所述含铁源的化合物大尺寸无孔单晶体为碳酸亚铁单晶体或含铁硫族化合物单晶体。
2.根据权利要求1所述的一种大尺寸多孔单晶氧化铁半导体材料，其特征在于，所述含铁硫族化合物单晶体为二硫化铁
3.根据权利要求1所述的一种大尺寸多孔单晶氧化铁半导体材料，其特征在于，所述原料气氛针对不同单晶衬底进行选择，为氩气、氧氩和空气中的至少一种，气氛流量分别满足以下条件：
4.根据权利要求1所述的一种大尺寸多孔单晶氧化铁半导体材料，其特征在于，高温分解反应条件为：
5.根据权利要求1所述的一种大尺寸多孔单晶氧化铁半导体材料，其特征在于，所述多孔单晶氧化铁薄膜厚度为10 nm~100 μm。
6.根据权利要求1所述的一种大尺寸多孔单晶氧化铁半导体材料，其特征在于，所述多孔单晶氧化铁晶体尺寸为0.1 cm~20 cm。
7.根据权利要求1所述的大尺寸多孔单晶氧化铁半导体材料作为光电半导体材料应用于光电转换、光电催化以及电化学储能领域。
...【技术特征摘要】
1.一种大尺寸多孔单晶氧化铁半导体材料，其特征在于：含有尺寸为5 nm~1500 nm且均匀分布的蠕状结构的孔；所述大尺寸多孔单晶氧化铁半导体材料在三维空间具有刚性的自支撑结构且无需模版支撑；所述大尺寸多孔单晶氧化铁半导体材料兼具纳米单晶骨架以及无序连通的开孔结构；所述大尺寸多孔单晶氧化铁半导体材料为多孔单晶氧化铁薄膜或多孔单晶氧化铁晶体；所述多孔单晶氧化铁薄膜的表面具有多孔单晶氧化铁的(104)晶面、(214)晶面或（110）晶面中的至少一面，所述多孔单晶氧化铁晶体的最大表面具有多孔单晶氧化铁的(104)晶面、(214)晶面或(110)晶面中的至少一面；所述大尺寸多孔单晶氧化铁半导体材料通过将含铁源的化合物大尺寸无孔单晶体作为单晶衬底置于原料气氛中，在高温下进行分解及置换反应，在特定温度下通过断键除去非铁原子的同时，铁原子和氧原子成键并二次结晶进行延伸生长，得到多孔单晶氧化铁半导体材料；所述含铁源的化合物大尺寸无孔单晶体为碳酸亚铁单晶体或含铁硫族化合物单晶体...
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