本發(fā)明涉及過渡金屬硫族化合物納米管的制備方法。通過金納米顆粒催化的化學(xué)氣相沉積法實(shí)現(xiàn)過渡金屬硫族化合物納米管一步生長(zhǎng)和手性可控。

背景技術(shù)：

1、隨著二維過渡金屬硫族化合物材料制備和結(jié)構(gòu)調(diào)控的不斷發(fā)展，二維過渡金屬硫族化合物的種類越來越豐富，進(jìn)一步激發(fā)和推動(dòng)了對(duì)其新奇物性的深入探索和器件應(yīng)用。同時(shí)，突破原有過渡金屬硫族化合物體系中結(jié)構(gòu)建方式和調(diào)控策略，尋找新的研究思路，成為進(jìn)一步擴(kuò)展過渡金屬硫族化合物研究和應(yīng)用的關(guān)鍵。

2、過渡金屬硫化物納米管結(jié)構(gòu)可等效為二維過渡金屬硫化物沿特定方向卷曲而成的一維管狀結(jié)構(gòu)，具有很多相較于其二維和三維過渡金屬硫化物結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性質(zhì)，如硫化鎢納米管中顯著增強(qiáng)的體光伏效應(yīng)、超導(dǎo)和潤(rùn)滑等特性，成為過渡金屬硫族化合物發(fā)展的一片新天地。

3、早在1992年，過渡金屬硫化物納米管就被reshef?tenne教授首次發(fā)現(xiàn)，其制備方法主要基于過渡金屬氧化物納米線表面硫化反應(yīng)形成多層納米管結(jié)構(gòu)。該制備方法過程繁多，難以控制，制備的納米管結(jié)構(gòu)隨機(jī)，無法調(diào)控。導(dǎo)致過去的30年過渡金屬硫化物納米管在手性控制、手性相關(guān)的物性研究以及器件應(yīng)用方面進(jìn)展緩慢。相比1991年發(fā)現(xiàn)的碳納米管過去30年的蓬勃發(fā)展，過渡金屬硫族化合物納米管的發(fā)展幾乎處于停滯狀態(tài)。阻礙其發(fā)展的主要“瓶頸”可以歸結(jié)為：缺乏對(duì)過渡金屬硫化物納米管簡(jiǎn)單有效的生長(zhǎng)方法和手性調(diào)控策略。最近，科研人員提出了一種通過單溫區(qū)高溫爐一步生長(zhǎng)硫化鎢和硒化鎢納米管的化學(xué)氣相沉積法。但是，該方法對(duì)多種過渡金屬硫族化合物納米管的制備，比如硫化鉬、硒化鉬和碲化鉬等，卻不能適應(yīng)。主要原因是不能通過單溫區(qū)高溫爐同時(shí)實(shí)現(xiàn)過渡金屬氧化物和硫(硒)的同時(shí)蒸發(fā)，限制了對(duì)這些過渡金屬硫族化合物納米管的制備、研究和進(jìn)一步應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種過渡金屬硫族化合物納米管的制備方法，最終實(shí)現(xiàn)過渡金屬硫族化合物納米管一步生長(zhǎng)和結(jié)構(gòu)可控的方法。該制備方法是以金催化劑顆粒輔助制備的化學(xué)氣相沉積法。采用磁控濺射的方法，在硅基底上鍍金膜退火后得到金納米顆粒催化劑，以此為生長(zhǎng)襯底，在惰性氣氛和一定溫度下實(shí)現(xiàn)過渡金屬硫族化合物納米管的生長(zhǎng)。得到管徑均勻、直徑可控，層數(shù)可調(diào)的過渡金屬硫族化合物納米管，滿足高晶體質(zhì)量、高產(chǎn)量和手性可控過渡金屬硫族化合物納米管的要求。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是采取的技術(shù)方案為：

3、本發(fā)明提供一種通過雙溫區(qū)高溫爐分別控制過渡金屬氧化物和硫(硒)的蒸發(fā)，實(shí)現(xiàn)過渡金屬硫族化合物納米管一步生長(zhǎng)和結(jié)構(gòu)可控的方法。其中，金納米顆粒作為催化劑，是過渡金屬硫族化合物納米管成核的關(guān)鍵。金納米顆粒通過控制磁控濺射鍍膜厚度和退火的溫度和時(shí)間，在退火后可以形成不同直徑的具有高催化活性的金納米顆粒催化劑。其制備步驟如下：

4、s1：以高純金為濺射靶材，以硅片為濺射基底，在100℃，直流功率50w的濺射條件下濺射35s,獲得10nm均勻厚度的金膜；

5、s2：把磁控濺射所獲得金膜放入高溫管式爐中退火，先用40分鐘時(shí)間從25℃升溫至750℃，然后恒溫750℃保持10min，最后用10min降至25℃，在硅片上獲得催化活性較高且顆粒直徑均勻的金納米顆粒催化劑；把制備得到的帶有金納米顆粒的硅片放在長(zhǎng)方體樣品臺(tái)上面；

6、s3：用石英舟(15mm*100mm)分別稱量過渡金屬氧化物和硫族元素粉末，把渡金屬氧化物均勻鋪在石英舟上，把硫族元素粉末放置在送料裝置上；

7、s4:將石英舟和樣品臺(tái)分別放入高溫管式爐的特定區(qū)域中；將送料裝置置于高溫管式爐右側(cè)非加熱區(qū)；

8、s5:設(shè)置特定的加熱區(qū)間和加熱溫度,當(dāng)溫度到達(dá)某一特定溫度時(shí)，開始通入一定量的氫氣和氮?dú)饣旌蠚怏w，同時(shí)將送料裝置緩慢將硫族元素粉末送入右溫區(qū)，使其達(dá)到初始融化狀態(tài)，并在一定時(shí)間內(nèi)均勻推進(jìn)硫族元素粉末，直至全部蒸發(fā)。

9、s6:當(dāng)左溫區(qū)保溫時(shí)間結(jié)束后，停止保溫，自然降溫至25℃，右溫區(qū)保溫時(shí)間結(jié)束后，停止保溫，自然降溫至25℃，取出樣品臺(tái)，獲得成品。

10、進(jìn)一步地，送料裝置包括磁性底座和磁鐵，硫族元素粉末放置在磁性底座上，磁鐵位于高溫管式爐外側(cè)，通過移動(dòng)磁鐵，進(jìn)而帶動(dòng)高溫管式爐內(nèi)的磁性底座移動(dòng)。

11、進(jìn)一步地，s3中金屬氧化物為moo3，硫族元素粉末為s、se中的一種。

12、相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本申請(qǐng)具有如下有益效果：

13、本申請(qǐng)通過磁控濺射和退火工藝制備高活性金納米粒子催化劑，具有優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性。利用化學(xué)氣相沉積(cvd)的方法，在雙溫區(qū)高溫管式爐的特定溫度區(qū)域放入以金納米顆粒催化劑修飾的硅片，以此為生長(zhǎng)基底，提供過渡金屬硫族化合物納米管的生長(zhǎng)平臺(tái)。通過控制過渡金屬氧化物和硫族元素的不同配比關(guān)系和反應(yīng)條件，達(dá)到一步生長(zhǎng)和手性可控的過渡金屬硫族化合物納米管的生長(zhǎng)條件該制備方法的制備簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)了過渡金屬硫族化合物納米管一步生長(zhǎng)和結(jié)構(gòu)可控，得到較為均勻的過渡金屬硫族化合物納米管，同時(shí)可以控制生長(zhǎng)襯底的溫度可以實(shí)現(xiàn)對(duì)過渡金屬硫族化合物納米管直徑和層數(shù)的可控調(diào)節(jié)。手性可控的納米管在基礎(chǔ)研究、高性能光電子器件和新型能源器件中具有非常重要的作用。

技術(shù)特征：

1.一種過渡金屬硫族化合物納米管的制備方法，其特征在于，具體步驟如下：

2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，送料裝置包括磁性底座和磁鐵，硫族元素粉末放置在磁性底座上，磁鐵位于高溫管式爐外側(cè)，通過移動(dòng)磁鐵，進(jìn)而帶動(dòng)高溫管式爐內(nèi)的磁性底座移動(dòng)。

3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，s3中金屬氧化物為moo3，硫族元素粉末為s、se中的一種。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提出了雙溫區(qū)化學(xué)氣相沉積法實(shí)現(xiàn)過渡金屬硫族化合物納米管的一步生長(zhǎng)和結(jié)構(gòu)可控方法，通過磁控濺射金納米薄膜和高溫退火處理，可以得到直徑可調(diào)均勻分布金納米顆粒修飾的硅片，以此為生長(zhǎng)襯底。在化學(xué)氣相沉積高溫反應(yīng)過程中，進(jìn)一步通過雙溫區(qū)高溫爐精細(xì)調(diào)控過渡金屬氧化物粉末、硫粉和硒粉的比例和蒸發(fā)速率，以及調(diào)控氫氣和氮?dú)獾牧髁亢捅壤?，最終可以實(shí)現(xiàn)高晶體質(zhì)量過渡硫族化合物納米管的一步生長(zhǎng)。進(jìn)一步，通過調(diào)控生長(zhǎng)襯底的溫度，可以顯著影響過渡金屬硫族化合物納米管的生長(zhǎng)機(jī)制，得到手性特性不同的過渡金屬硫族化合物納米管，即實(shí)現(xiàn)了過渡金屬硫族化合物納米管手性的定向調(diào)控。

技術(shù)研發(fā)人員：安欽偉,張雪洋
受保護(hù)的技術(shù)使用者：西北工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/11/18