碳包覆Ⅴ-Ⅵ族化合物半导体纳米片及其制备方法，涉及拓扑绝缘体和热电材料及其制备方法。本发明专利技术是要解决现有Ⅴ-Ⅵ族化合物拓扑绝缘体的制备方法复杂，无法制备块体材料，表面不稳定，表面不对称性，表面粗糙度高，以及作为热电材料电导率和Seebeck系数不能同时提高的问题。本发明专利技术的碳包覆Ⅴ-Ⅵ族化合物半导体纳米片由纳米片状基体和包覆在其表面的碳层组成。本发明专利技术通过一步水热法制备无定型碳包覆Ⅴ-Ⅵ族化合物半导体纳米片；本发明专利技术通过两步水热法制备石墨烯包覆Ⅴ-Ⅵ族化合物半导体纳米片。本发明专利技术制备的纳米片表面稳定、对称、粗糙度低，且电导率和Seebeck系数能同时提高。本发明专利技术应用于拓扑绝缘体和热电材料的制备领域。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及拓扑绝缘体和热电材料及其制备方法。
技术介绍
拓扑绝缘体是一种具有特殊量子特性的新型材料。其特殊的二维结构及强自旋轨道耦合效应，使其具有非凡的电子结构。其体相电子结构是有能隙的绝缘体，而其表面则是无能隙的金属态。即打破通常意义上“金属”和“绝缘体”的概念，它内部绝缘，界面却具有自旋相关的金属性导电通道。这意味着拓扑绝缘体可以将自旋方向不同的电子分开，从而形成自旋流。很早人们就已发现电子具有电荷和自旋两种运动，但在传统电路或半导体电子器件中，自旋向上的电子和自旋向下的电子向同一方向运动，以至于自旋流被抵消，仅仅电荷流(即电流)存在。这导致近百年来电子器件的应用，仅仅利用了电子的电荷，而它的自旋一直被忽略。而在拓扑绝缘体的表面，由于自旋轨道耦合作用，电子运动的规律性，就如同高速公路上运动的汽车一样，正向与反向行驶的汽车分别走不同的道路，互不干扰。处于这样有序运动状态的电子不会相互碰撞，因此能耗很低。随着微电子技术的迅猛发展，半导体芯片的集成度愈来愈高。这产生两方面的负面效应。一方面是芯片的功耗及其相关的散热问题；另一方面是由于器件尺度减小而带来的量子效应问题。由于改变电子自旋状态所消耗的能量远低于改变电荷状态所消耗的能量，如果我们利用半导体中载流子的自旋自由度来实现已有的半导体器件的功能的话，功耗的问题将迎刃而解。由于拓扑绝缘体所具有的这些表面磁性的电控制特性，让人们对制造未来新型的计算机芯片等元器件充满了期待，并希望由此能引发未来电子技术的新一轮革命。此外，拓扑绝缘体的表面态有着与众不同的特点，它完全是由材料的体电子态的拓扑结构所决定，是由对称性所决定的，与表面的具体结构无关。因此他的存在非常稳定，基本不受到杂质与无序的影响。由于非阿贝尔粒子的拓扑性质受对称性保护，不会由于微小扰动而使量子态退相干，从而导致计算错误，这使得拓扑绝缘体可以用于量子计算。拓扑绝缘体对研究凝聚态物质基本物理有着重要意义，例如在一个超导体附近的拓扑绝缘体可以产生满足非阿贝尔(非对易)统计的激子——马拉约那费米子。2009年，有科学家通过理论计算预言了 V-VI族化合物半导体功能材料(Bi2Te3、Sb2Te3、Bi2Se3等)为一类新的强拓扑绝缘体材料系统。这类拓扑绝缘体材料有着独特的优点:首先，这类材料是纯的化学，非常稳定且容易合成；第二，这类材料表面态中只有一个狄拉克点存在，是最简单的强拓扑绝缘体，这种简单性为理论模型的研究提供了很好的平台；第三，也是非常吸引人的一点，该材料的体能隙是非常大的，特别是Bi2Se3，大约是0.13eV，远远超出室温能量尺度，这也意味着有可能实现室温低能耗的自旋电子器件。与此同时相关的实验工作也取得重要进展，证实了理论预言的正确性。虽然理论上关于拓扑绝缘体有种种令人激动的预言，但当前实验上仍有两个非常基础的问题迫切需要解决:首先是制备出高质量的拓扑绝缘体材料，特别是可实际应用的材料，其次是在输运实验中确认拓扑绝缘体表面态的本征性质。而材料的制备将成为一切性能与应用研究的基础。从2009年开始，针对拓扑绝缘体研究的需求，人们从单晶体材料和薄膜两方面着手进行材料制备的研究。存在以下主要问题:1、由于拓扑绝缘体产生效应的为材料的表面，因而现有的研究以制备单晶体材料和薄I吴为主，制造工艺复杂，成本闻，并且只能研究单晶或薄膜的某一个表面，因而无法制备块体材料，限制了材料的器件应用；2、表面不稳定:所制备的材料表面暴露在大气中会出现退化现象，虽说理论上拓扑绝缘体的表面态是强健的，只要有表面它就存在，但暴露大气却可能带来表面氧化、吸附水等而导致表面化学势的变化，从而引起表面掺杂效应而引入载流子，以及表面电子迁移率的降低，可造成的散射使得表面态的电子迁移率小于体电子；3、表面对称性问题:在使用拓扑绝缘体薄膜时由于衬底的影响造成偏心，改变结构的对称性会在薄膜垂直方向上诱导出一个不对称的能带弯曲，造成上、下表面费米能级在能带中的位置不同。4、表面粗糙度:表面的粗糙化也会造成表面态在空间中的弥散，以及表面电子迁移率的降低。这就要求薄膜表面必须是原子级别光滑，造成了对制备技术的高要求。温差热效应发电作为一种新型节能环保技术，是利用热电材料将温差资源直接转化成电能的一种能量转化方法。与目前使用的传统方式相比，它不需要工作介质，直接、静态的运行。因此，其设备无活动部件，保证了其具有环保无噪音和高度的可靠性。因此，许多低温和高温下工作的设备(如锅炉、汽车发动机、液化天然气储运罐)都可以成为其温差的提供者。提高热电转换装置效率的关键在于制备高性能的热电材料。热电理论的研究表明，热电材料的品质因子与电导率和Seebeck系数成正比，与热导率成反比。但是这三个物理量具有内在的关联性，不能通过单独改变其中的一项来提高材料的转换效率，这是限制热电材料应用的主要瓶颈。因而目前研究中，提高材料热电性能的主要手段是降低材料的热导率。但这种方式几乎已经达到了可能的极限。要想使热电材料达到实际应用的标准必须寻找一种同时提高电导率和Seebeck系数的途径。
技术实现思路
本专利技术是要解决现有V - VI族化合物拓扑绝缘体的制备方法复杂，无法制备块体材料，表面不稳定，表面不对称性，表面粗糙度高，以及作为热电材料电导率和Seebeck系数不能同时提高的问题，从而提供了碳包覆V -VI族化合物半导体纳米片及其制备方法。 本专利技术的碳包覆V -VI族化合物半导体纳米片由纳米片状基体和包覆在其表面的碳层组成；其中，所述的纳米片状基体的材料为Bi2Te3、Sb2Te3、Bi2Se3^ Sb2Se3，包括掺杂Fe、Cr、Co或Ni磁性元素(如,Bi2_xFexTe3),其厚度小于IOOnm,直径在微米级别；所述的碳层的材料为无定型碳或石墨烯微片，厚度为I 12nm,并可在其外表面负载Ag、Fe、Cr、Co、Ni或Cu纳米粒子。本专利技术的第一种碳包覆V -VI族化合物半导体纳米片的制备方法是按以下步骤进行:一、称取 0.02 0.1g 的 K (SbO) C4H4O6.0.5H20，0.02 0.1g 的 Na2TeO3 粉，I 5g的NaOH和3 IOg的葡萄糖；二、向步骤一称取的原料中分别加入5 IOmL的去离子水，搅拌溶解后混合，并加去离子水稀释至20 40mL，再加入2 4mL的N2H4.H2O,转移至50mL规格的反应釜中，在180 200°C烘箱中反应5 8h，得到混合液；三、将反应后的混合液用去离子水洗涤至pH值为7，然后使用无水乙醇洗涤，最后在温度为20 40°C真空烘干，得到无定型碳包覆V - VI族化合物半导体纳米片。本专利技术的第二种碳包覆V -VI族化合物半导体纳米片的制备方法是按以下步骤进行:一、称取 0.02 0.05g 的 K (SbO) C4H4O6.0.5Η20，0.02 0.05g 的 Na2TeO3 粉和0.5 1.0g 的 NaOH ；二、向步骤一称取的原料中加入20 40mL的去离子水，搅拌溶解后加入2 4mL的N2H4.H2O,转移至50mL规格的反应釜中，填充度为60 % 80 %，在180 200°C烘箱中反应5 8h,得到混合液；三、将反应后的混合液用去离子水洗涤至pH值为7，然后使用无本文档来自技高网...
【技术保护点】
碳包覆Ⅴ?Ⅵ族化合物半导体纳米片，其特征在于碳包覆Ⅴ?Ⅵ族化合物半导体纳米片由纳米片状基体和包覆在其表面的碳层组成；其中，所述的纳米片状基体的材料为Bi2Te3、Sb2Te3、Bi2Se3，包括掺杂Fe、Cr、Co或Ni磁性元素，其厚度小于100nm，直径在微米级别；所述的碳层的材料为无定型碳或石墨烯微片，厚度为1～12nm，并可在其外表面负载Ag、Fe、Cr、Co、Ni或Cu金属纳米粒子。
【技术特征摘要】
1.碳包覆V-VI族化合物半导体纳米片，其特征在于碳包覆V -VI族化合物半导体纳米片由纳米片状基体和包覆在其表面的碳层组成；其中，所述的纳米片状基体的材料为Bi2Te3^ Sb2Te3、Bi2Se3,包括掺杂Fe、Cr、Co或Ni磁性元素，其厚度小于lOOnm，直径在微米级别；所述的碳层的材料为无定型碳或石墨烯微片，厚度为I 12nm,并可在其外表面负载Ag、Fe、Cr、Co、Ni或Cu金属纳米粒子。2.碳包覆V-VI族化合物半导体纳米片制备方法，其特征在于碳包覆V -VI族化合物半导体纳米片制备方法是按以下步骤进行:一、称取0.02 0.1g 的 K (SbO) C4H4O6.0.5Η20，0.02 0.1g 的 Na2TeO3 粉，I 5g 的NaOH和3 IOg的葡萄糖； 二、向步骤一称取的原 料中分别加入5 IOmL的去离子水，搅拌溶解后混合，并加去离子水稀释至20 40mL，再加入2 4mL的N2H4.Η20，转移至50mL规格的反应釜中，在180 200°C烘箱中反应5 8h，得到混合液； 三、将反应后的混合液用去离子水洗涤至PH值为7，然后使用无水乙醇洗涤，最后在温度为20 40°C真空烘干，得到无定型碳包覆V -VI族化合物半导体纳米片。3.根据权利要求2所述的碳包覆V-VI族化合物半导体纳米片制备方法，其特征在于步骤一中称取 0.02g 的 K(SbO)C4H4O6.0.5Η20，0.02g 的 Na2TeO3 粉，Ig 的 NaOH 和 3g 的葡萄糖。4.根据权利要求2所述的碳包覆V-VI族化合物半导体纳米片制备方法，其特征在于步骤二中加入2mL的N2H4.H2O。5.根据权利要求2所述的碳包覆V-VI族化合物半导体纳米片制备方法，其特征在于步骤二中在180°C烘箱中反应5h。6.碳包...
【专利技术属性】
技术研发人员：周楠，
申请(专利权)人：东北农业大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。