二維半導(dǎo)體模板材料及其制備方法
【專利摘要】一種二維半導(dǎo)體模板材料，它的化學(xué)式為Mn+1Xn(OH)n，其中M為Sc、Ti或Zr，X為B、C或N，n為1或2；它的原材料為Mn+1AXn，其中A為Li、Na、Al、Si或K，將原材料燒結(jié)后進(jìn)行球磨處理，獲得粒度等于或者小于5μm的原材料粉末，在40-60wt.%HF溶液中恒溫浸泡8-10小時(shí)，并使用電磁攪拌，同時(shí)用超聲波對浸泡溶液進(jìn)行超聲處理60-80min，最后分別用5wt.%NaOH和去離子水清洗，直至原材料的PH值等于7，離心干燥后得到Mn+1Xn(OH)n二維半導(dǎo)體模板材料。本發(fā)明工藝和設(shè)備簡單，重復(fù)性好，所得二維半導(dǎo)體模板材料剝離分層效果好，具有高的比表面積和可調(diào)的能帶結(jié)構(gòu)。
【專利說明】二維半導(dǎo)體模板材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體模板材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]以石墨烯為代表的二維原子晶體是一類新材料，石墨烯材料具有本征載離子遷移率高、強(qiáng)場漂移速率高、電流承載能力高、面內(nèi)熱導(dǎo)率高等優(yōu)異性能特點(diǎn)，是目前材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理領(lǐng)域發(fā)展最為迅速和和活躍的研究前沿。但是石墨烯的零帯隙和半金屬性阻礙了它在半導(dǎo)體器件領(lǐng)域的應(yīng)用，所以，其它的類石墨烯二維材料，如二硫化鑰、氧化鑰、氮化硼、二維硼單層、二維稼族層狀材料等在目前的材料、物理和化學(xué)等領(lǐng)域引起了極大的關(guān)注。
[0003]哈爾濱工業(yè)大學(xué)的碲化鎵二維材料的制備方法及二維結(jié)構(gòu)碲化鎵柔性透明光探測器的制備方法(CN103236469A)，將鎵與碲混合、保溫，冷卻至室溫即可得到碲化鎵二維材料，利用二維結(jié)構(gòu)碲化鎵半導(dǎo)體制得的柔性透明光探測器可以任意的彎曲，透光性好。該方法通過布里奇曼生長法制備的碲化鎵二維材料，工藝要求精細(xì)，而且碲化鎵單晶的生成率不高。同時(shí)二維結(jié)構(gòu)碲化鎵半導(dǎo)體制得的柔性透明光探測器的探測帶寬受其能帶限制，響應(yīng)速度在一些性能要求更為嚴(yán)格的場合不能滿足其使用條件。蘇州大學(xué)的基于二維層狀原子晶體材料的光探測器(CN103219403A)，以二氧化硅覆蓋的硅襯底為基，一次疊加覆蓋第一石墨烯導(dǎo)電層、二維層狀原子晶體半導(dǎo)體材料層和第二石墨烯導(dǎo)電層制備的光探測器，具有探測波譜范圍寬、超快響應(yīng)速度和高截止頻率的工作特性。但是該方法相應(yīng)的設(shè)備裝置比較復(fù)雜，操作條件嚴(yán)格，步驟繁瑣，增加了制備的成本。

【發(fā)明內(nèi)容】
:`[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種操作工藝簡單、成本低廉和性能穩(wěn)定的二維半導(dǎo)體模板材料及其制備方法。
[0005]本發(fā)明的二維半導(dǎo)體模板材料的化學(xué)分子式為Mn+1Xn(OH)n，其中M為Sc、Ti或Zr，X為B、C或N, η為I或2。
[0006]上述二維半導(dǎo)體模板材料的制備方法如下:
[0007](I)制備原材料 Μη+1ΑΧη，其中 M 為 Sc、Ti 或 Zr，A 為 L1、Na、Al、Si 或 K，X 為 B、C或N，η為I或2。原材料制備方法為燒結(jié)后進(jìn)行球磨處理:以所需的單質(zhì)粉末或者化合物粉末為原料，以無水乙醇作為研磨介質(zhì)，瑪瑙珠作研磨體，按料:球:乙醇=1:3:1的比例放入聚氨酯罐中，轉(zhuǎn)速為500r/min，均勻混合24h，置于真空干燥箱中，干燥60h。將混合均勻的原料裝入內(nèi)徑20mm，外徑50mm的高強(qiáng)度石墨模具中，用千斤頂預(yù)壓(壓力為20MPa)。燒結(jié)時(shí)用99.9%的氬氣保護(hù)，燒結(jié)壓力為30MPa，燒結(jié)溫度為1400-1600°C，保溫2_3h，保溫結(jié)束后關(guān)閉電源，隨爐冷卻，得到直徑為20mm，厚度約為IOmm的燒結(jié)體，將燒結(jié)體放入瑪瑙研缽中研磨，通過3000目的篩子篩選出粒徑等于或小于5 μ m的原材料粉末。
[0008](2)取上述步驟(1)制備好的原材料粉末浸泡于40-60wt.%HF溶液中，粉末與HF溶液的質(zhì)量比為1:20，使用電磁攪拌器水浴加熱至20-40°C，浸泡溫度保持恒定，浸泡時(shí)間為8-10小時(shí),浸泡過程中使用磁子攪拌浸泡溶液,攪拌速度為120-180r/min ;浸泡過程中同時(shí)使用超聲處理，超聲波清洗機(jī)功率為240-360W，超聲方式為間隔式，即每浸泡一小時(shí)，超聲lOmin，共計(jì)超聲60-80min，且超聲溫度與浸泡溫度相同。
[0009](3)用5wt.%NaOH清洗浸泡完畢的原材料至堿性(PH>7)，再用去離子水清洗至中性(PH=7)，然后進(jìn)行離心處理，倒掉上層清液后放入鼓風(fēng)干燥機(jī)中干燥，干燥溫度為80-100°C，干燥時(shí)間為 18-24h。
[0010]本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0011]1、工藝簡單設(shè)備，條件和緩，重復(fù)性好，成本低廉；
[0012]2、所得二維半導(dǎo)體模板材料剝離分層效果好，具有高的比表面積和可調(diào)的能帶結(jié)構(gòu)，是性能優(yōu)異的半導(dǎo)體模板材料。
【具體實(shí)施方式】:
[0013]實(shí)施例1
[0014]本發(fā)明提供的一種二維半導(dǎo)體模板材料及其制備方法，其步驟如下:
[0015](1)原材料Ti3SiC2的制備:取鈦粉144g、硅粉28g、碳粉24g，以196g無水乙醇作為研磨介質(zhì)，588g瑪瑙珠作研磨體，放入聚氨酯罐中，轉(zhuǎn)速為500r/min，均勻混合24h，置于真空干燥箱中，干燥60h。將混合均勻的原料裝入內(nèi)徑20mm,外徑50mm的高強(qiáng)度石墨模具中，用千斤頂預(yù)壓(壓力為20MPa)。燒結(jié)時(shí)用99.9%的氬氣保護(hù)，燒結(jié)壓力為30MPa，燒結(jié)溫度為1500°C，保溫3h，保溫結(jié)束后關(guān)閉電源，隨爐冷卻，得到直徑為20mm，厚度約為IOmm的燒結(jié)體。在瑪瑙研缽中研磨，通過3000目的篩子篩選出粒徑等于或小于5μπι的原材料粉末。
[0016](2) 二維半導(dǎo)體模板材料的制備:取上述步驟(1)制備好的原材料粉末2g和40wt.%HF溶液40g，在塑料杯中混合浸泡。通過電磁攪拌器水浴加熱，溫度為20 V，保溫時(shí)間為10h，保溫過程中使用磁子攪拌，攪拌速率為120r/min，每保溫一小時(shí)，取出塑料杯，在功率為360W的超聲波清洗機(jī)中超聲lOmin，超聲過程保持恒溫，水浴溫度為20°C，總計(jì)超聲8次，超聲80min。浸泡結(jié)束后用5wt.%NaOH清洗上述浸泡完畢的原材料至堿性，再用去離子水清洗至中性(PH=7)，然后再進(jìn)行離心處理，倒掉上層清液后放入鼓風(fēng)干燥機(jī)中干燥，干燥溫度為80°C，干燥時(shí)間24h。最終得到所需的二維半導(dǎo)體模板材料Ti3C2(OH)215
[0017]經(jīng)檢測，該材料在300K時(shí)的帶隙值為0.258eV (見表1)，是性能優(yōu)異的新型二維半導(dǎo)體模板材料。
[0018]實(shí)施例2
[0019](1)原材料Ti2AlN的制備:取鈦粉48g、氮化鈦粉62g、鋁粉27g，以137g無水乙醇作為研磨介質(zhì)，41 Ig瑪瑙珠作研磨體，放入聚氨酯罐中，轉(zhuǎn)速為500r/min，均勻混合24h，置于真空干燥箱中，干燥60h。將混合均勻的原料裝入內(nèi)徑20mm,外徑50mm的高強(qiáng)度石墨模具中，用千斤頂預(yù)壓(壓力為20MPa)。燒結(jié)時(shí)用99.9%的氬氣保護(hù)，燒結(jié)壓力為30MPa，燒結(jié)溫度為1600°C，保溫2h，保溫結(jié)束后關(guān)閉電源，隨爐冷卻，得到直徑為20mm，厚度約為IOmm的燒結(jié)體。在瑪瑙研缽中研磨，通過3000目的篩子篩選出粒徑等于或小于5μπι的原材料粉末。[0020](2) 二維半導(dǎo)體模板材料的制備:取上述步驟(1)制備好的原材料粉末3g和50wt.%HF溶液60g，在塑料杯中混合浸泡。通過電磁攪拌器水浴加熱，溫度為40 V，保溫時(shí)間為8h，保溫過程中使用磁子攪拌，攪拌速率為180r/min，每保溫一小時(shí)，取出塑料杯，在功率為240W的超聲波清洗機(jī)中超聲lOmin，超聲過程保持恒溫，水浴溫度為40°C，總計(jì)超聲6次，超聲60min。浸泡結(jié)束后用5wt.%NaOH清洗上述浸泡完畢的原材料至堿性，再用去離子水清洗至中性(PH=7)，然后進(jìn)行離心處理，倒掉上層清液后放入鼓風(fēng)干燥機(jī)中干燥，干燥溫度為100°C，干燥時(shí)間18h。最終得到所需的二維=半導(dǎo)體模板材料Ti2N(OH)。
[0021]經(jīng)檢測，該材料在300K時(shí)的帶隙值為0.220eV (見表1)，是性能優(yōu)異的新型二維半導(dǎo)體模板材料。
[0022]實(shí)施例3
[0023](I)原材料Sc3LiC2的制備:取鈧粉135g、鋰粉7g、碳粉24g，以166g無水乙醇作為研磨介質(zhì)，498g瑪瑙珠作研磨體,放入聚氨酯罐中，轉(zhuǎn)速為500r/min,均勻混合24h,置于真空干燥箱中，干燥60h。將混合均勻的原料裝入內(nèi)徑20mm,外徑50mm的高強(qiáng)度石墨模具中，用千斤頂預(yù)壓(壓力為20MPa)。燒結(jié)時(shí)用99.9%的氬氣保護(hù)，燒結(jié)壓力為30MPa，燒結(jié)溫度為1400°C，保溫3h，保溫結(jié)束后關(guān)閉電源，隨爐冷卻，得到直徑為20mm，厚度約為IOmm的燒結(jié)體。在瑪瑙研缽中研磨，通過3000目的篩子篩選出粒徑等于或小于5μπι的原材料粉末。
[0024](2) 二維半導(dǎo)體模板材料的制備:取上述步驟(1)制備好的原材料粉末2g和50wt.%HF溶液40g，在塑料杯中混合浸泡。通過電磁攪拌器水浴加熱，溫度為30 V，保溫時(shí)間為9h，保溫過程中使用磁子攪拌，攪拌速率為150r/min，每保溫一小時(shí)，取出塑料杯，在功率為300W的超聲波清洗機(jī)中超聲lOmin，超聲過程保持恒溫，水浴溫度為30°C，總計(jì)超聲7次，超聲70min。浸泡結(jié)束后分別用5wt.%NaOH清洗浸泡完畢的原料至堿性，再用去離子水清洗至中性(PH=7)，然后然后進(jìn)行離心處理，倒掉上層清液后放入鼓風(fēng)干燥機(jī)中干燥，干燥溫度為90°C，干燥時(shí)間24h。最終得到所需的二維半導(dǎo)體模板材料Sc3C2 (OH)20
[0025]經(jīng)檢測，該材料在300K時(shí)的帶隙值為0.431eV (見表1)，是性能優(yōu)異的新型二維半導(dǎo)體模板材料。
[0026]實(shí)施例4
[0027](I)原材料Sc3NaB2的制備:取鈧粉135g、納粉23g、硼粉22g，以180g無水乙醇作為研磨介質(zhì)，540g瑪瑙珠作研磨體，放入聚氨酯罐中，轉(zhuǎn)速為500r/min，均勻混合24h，置于真空干燥箱中，干燥60h。將混合均勻的原料裝入內(nèi)徑20mm,外徑50mm的高強(qiáng)度石墨模具中，用千斤頂預(yù)壓(壓力為20MPa)。燒結(jié)時(shí)用99.9%的氬氣保護(hù)，燒結(jié)壓力為30MPa，燒結(jié)溫度為1400°C，保溫3h，保溫結(jié)束后關(guān)閉電源，隨爐冷卻，得到直徑為20mm，厚度約為IOmm的燒結(jié)體。在瑪瑙研缽中研磨，通過3000目的篩子篩選出粒徑等于或小于5μπι的原材料粉末。
[0028]2) 二維半導(dǎo)體模板材料的制備:取上述步驟(1)制備好的原材料粉末3g和50wt.%HF溶液60g，在塑料杯中混合浸泡。通過電磁攪拌器水浴加熱，溫度為30 V，保溫時(shí)間為9h，保溫過程中使用磁子攪拌，攪拌速率為150r/min，每保溫一小時(shí)，取出塑料杯，在功率為300W的超聲波清洗機(jī)中超聲lOmin，超聲過程保持恒溫，水浴溫度為30°C，總計(jì)超聲6次，超聲60min。浸泡結(jié)束后分別用5wt.%NaOH清洗浸泡完畢的原料至堿性，再用去離子水清洗至中性(PH=7)，然后然后進(jìn)行離心處理，倒掉上層清液后放入鼓風(fēng)干燥機(jī)中干燥，干燥溫度為80°C，干燥時(shí)間24h。最終得到所需的二維半導(dǎo)體模板材料Sc3B2(OH)215
[0029]經(jīng)檢測，該材料在300K時(shí)的帶隙值為0.286eV (見表1)，是性能優(yōu)異的新型二維半導(dǎo)體模板材料。
[0030]實(shí)施例5
[0031](I)原材料Zr2KN的制備:取鋯粉91g、氮化鋯粉105g、鉀粉39g，以235g無水乙醇作為研磨介質(zhì)，705g瑪瑙珠作研磨體，放入聚氨酯罐中，轉(zhuǎn)速為500r/min，均勻混合24h，置于真空干燥箱中，干燥60h。將混合均勻的原料裝入內(nèi)徑20mm,外徑50mm的高強(qiáng)度石墨模具中，用千斤頂預(yù)壓(壓力為20MPa )。燒結(jié)時(shí)用99.9%的氬氣保護(hù)，燒結(jié)壓力為30MPa，燒結(jié)溫度為1600°C，保溫2h，保溫結(jié)束后關(guān)閉電源，隨爐冷卻，得到直徑為20臟，厚度約為IOmm的燒結(jié)體。在瑪瑙研缽中研磨，通過3000目的篩子篩選出粒徑等于或小于5μπι的原材料粉末。
[0032]2) 二維半導(dǎo)體模板材料的制備:取上述步驟(1)制備好的原材料粉末2g和60wt.%HF溶液40g，在塑料杯中混合浸泡。通過電磁攪拌器水浴加熱，溫度為30 V，保溫時(shí)間為9h，保溫過程中使用磁子攪拌，攪拌速率為160r/min，每保溫一小時(shí)，取出塑料杯，在功率為240W的超聲波清洗機(jī)中超聲lOmin，超聲過程保持恒溫，水浴溫度為30°C，總計(jì)超聲7次，超聲70min。浸泡結(jié)束后用5wt.%NaOH清洗浸泡完畢的原料至堿性，再用去離子水清洗至中性(PH=7)，然后進(jìn)行離心處理，倒掉上層清液后放入鼓風(fēng)干燥機(jī)中干燥，干燥溫度為90°C，干燥時(shí)間20h。最終得到所需的二維半導(dǎo)體模板材料Zr2N(OH)。
[0033]經(jīng)檢測，該材料在300K時(shí)的帶隙值為0.337eV (見表1)，是性能優(yōu)異的新型二維半導(dǎo)體模板材料。
[0034]表1:各實(shí)施例所制備的二維半導(dǎo)體模板材料在300K時(shí)的帶隙值
【權(quán)利要求】
1.一種二維半導(dǎo)體模板材料，其特征在于:它的化學(xué)分子式為Mn+1Xn(OH)n，其中M為Sc、Ti或Zr，X為B、C或N，η為I或2。
2.上述權(quán)利要求1的二維半導(dǎo)體模板材料的制備方法，其特征在于:
(1)制備原材料Μη+1ΑΧη，其中 M 為 Sc、Ti 或 Zr，A 為 L1、Na、Al、Si 或 K，X 為 B、C 或 N，n為1或2，原材料制備方法為燒結(jié)后進(jìn)行球磨處理:以所需的單質(zhì)粉末或者化合物粉末為原料，以無水乙醇作為研磨介質(zhì)，瑪瑙珠作研磨體，按料:球:乙醇=1:3:1的比例放入聚氨酯罐中，轉(zhuǎn)速為500r/min，均勻混合24h，置于真空干燥箱中，干燥60h ;將混合均勻的原料裝入內(nèi)徑20mm,外徑50mm的高強(qiáng)度石墨模具中，用千斤頂預(yù)壓,壓力為20MPa ;燒結(jié)時(shí)用.99.9%的氬氣保護(hù)，燒結(jié)壓力為30MPa，燒結(jié)溫度為1400-1600°C，保溫2_3h，保溫結(jié)束后關(guān)閉電源，隨爐冷卻，得到直徑為20mm，厚度約為IOmm的燒結(jié)體，將燒結(jié)體放入瑪瑙研缽中研磨，通過3000目的篩子篩選出粒徑等于或小于5μπι的原材料粉末； (2)取上述步驟(1)制備好的原材料粉末浸泡于40-60wt.%HF溶液中，粉末與HF溶液的質(zhì)量比為1:20，使用電磁攪拌器水浴加熱至20-40°C，浸泡溫度保持恒定，浸泡時(shí)間為8-10小時(shí)， 浸泡過程中使用磁子攪拌浸泡溶液，攪拌速度為120-180r/min ;浸泡過程中同時(shí)使用超聲處理，超聲波清洗機(jī)功率為240-360W，超聲方式為間隔式，即每浸泡一小時(shí)，超聲lOmin，共計(jì)超聲60-80min，且超聲溫度與浸泡溫度相同； (3)用5wt.%NaOH清洗浸泡完畢的原材料至堿性，再用去離子水清洗至中性PH=7，然后進(jìn)行離心處理，倒掉上層清液后放入鼓風(fēng)干燥機(jī)中干燥，干燥溫度為80-100°C，干燥時(shí)間為18-24h。
【文檔編號】C01G1/00GK103848455SQ201410066719
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2014年2月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月26日
【發(fā)明者】彭秋明, 張慶瑞, 付輝 申請人:燕山大學(xué)