本發(fā)明屬于半導(dǎo)體材料，具體涉及一種單一a位且維度可調(diào)的準(zhǔn)二維鈣鈦礦材料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、準(zhǔn)二維(2d)鹵化物鈣鈦礦材料憑借出色的可調(diào)性和半導(dǎo)體特性，脫穎而出成為下一代光電器件的潛在之星，因此在近十年內(nèi)得到了迅猛的發(fā)展。其性質(zhì)的可調(diào)性緊密依賴于量子阱的厚度，即每層中八面體層數(shù)(對(duì)應(yīng)n值)。此外，準(zhǔn)2d鹵化物鈣鈦礦中有機(jī)配體可能展現(xiàn)的非中心對(duì)稱有序性，為深入研究電子和光電子器件中自發(fā)極化、光伏效應(yīng)及載流子傳輸行為間的相互作用提供了新視角和契機(jī)。

2、純2d和3d鈣鈦礦各具優(yōu)勢(shì)，而準(zhǔn)2d鈣鈦礦作為它們的異質(zhì)結(jié)構(gòu)結(jié)合體，在性能上實(shí)現(xiàn)平衡，為高性能光電器件提供新可能。準(zhǔn)2d鈣鈦礦不僅繼承了純2d鈣鈦礦的穩(wěn)定性，還融合了3d鈣鈦礦的高載流子遷移率，在光電探測(cè)器領(lǐng)域展現(xiàn)出卓越性能。然而，實(shí)現(xiàn)高光電流與暗電流的有效抑制仍是挑戰(zhàn)，需要平衡材料的高結(jié)晶度和導(dǎo)電性與缺陷控制。

3、從材料科學(xué)的視角看，準(zhǔn)2d鹵化物鈣鈦礦領(lǐng)域面臨的核心挑戰(zhàn)在于如何精準(zhǔn)調(diào)控單晶或多晶材料中的n值，以及如何建立光電、電子和鐵電性質(zhì)與結(jié)構(gòu)參數(shù)(如n值和a位陽(yáng)離子)之間的緊密聯(lián)系。

4、目前報(bào)道的準(zhǔn)二維鈣鈦礦多數(shù)為混合a位類型，即支撐無(wú)機(jī)八面體骨架的有機(jī)陽(yáng)離子與層間支撐有機(jī)陽(yáng)離子存在差異。這種結(jié)構(gòu)特性對(duì)晶體性能具有顯著影響，同時(shí)也增加了制備工藝的復(fù)雜性。因此，未來(lái)研究需深入探索如何優(yōu)化這類材料的結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)更卓越的性能表現(xiàn)。

5、近年來(lái)，準(zhǔn)二維鈣鈦礦材料因其巨大的應(yīng)用潛力在光電器件領(lǐng)域備受矚目。然而，這類材料在實(shí)際應(yīng)用中卻面臨著諸多挑戰(zhàn)。具體而言，準(zhǔn)二維鈣鈦礦容易在空氣中受到潮濕環(huán)境的影響，導(dǎo)致氧化分解，從而引發(fā)其穩(wěn)定性的問題。這種不穩(wěn)定性極大地限制了準(zhǔn)二維鈣鈦礦在實(shí)際器件中的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和可靠性。

6、此外，高質(zhì)量準(zhǔn)二維鈣鈦礦的制備過程同樣充滿挑戰(zhàn)，尤其是在實(shí)現(xiàn)大面積制備方面，難度尤為突出。因此，制備技術(shù)的改進(jìn)成為了當(dāng)前亟待解決的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種創(chuàng)新的解決方案，成功制備出了一種穩(wěn)定性優(yōu)異、晶體質(zhì)量高、制備工藝簡(jiǎn)單且產(chǎn)率較高的準(zhǔn)二維鈣鈦礦材料。更值得一提的是，與大多數(shù)已報(bào)道的混合a位準(zhǔn)二維鈣鈦礦不同，本發(fā)明的準(zhǔn)二維鈣鈦礦采用了單一a位設(shè)計(jì)，并且其無(wú)機(jī)八面體層數(shù)n在1至6之間可實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)，為材料性能的進(jìn)一步優(yōu)化提供了更多可能性。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

3、本發(fā)明提供一種單一a位且維度可調(diào)的準(zhǔn)二維鈣鈦礦材料的制備方法，包括：

4、將n-甲基哌嗪加入氫溴酸溶液中，酸化后制得a液；

5、將含鉛化合物溶解在氫溴酸溶液中，溶解后制得b液；

6、室溫下，將a液與b液兩種液體混合，制得過飽和前驅(qū)體溶液；

7、將過飽和前驅(qū)體溶液加熱至沉淀完全溶解，保溫一段時(shí)間；

8、將保溫后的溶液緩慢冷卻至析晶，進(jìn)行晶體生長(zhǎng)至停止。

9、優(yōu)選地，n-甲基哌嗪和含鉛化合物的摩爾比為1：7～7：1。

10、優(yōu)選地，a液中每溶解1g的n-甲基哌嗪與氫溴酸的體積比為1:100～1:300。

11、優(yōu)選地，b液中每溶解1g的含鉛化合物所用氫溴酸為3～7ml。

12、上述方案中，通過控制a液、b液的固液比以及n-甲基哌嗪和含鉛化合物的摩爾比，使得a液與b液兩種液體混合后的前驅(qū)體溶液為過飽和溶液。

13、優(yōu)選地，含鉛化合物為碘化鉛、三水合乙酸鉛或氧化鉛中的一種或二種以上。

14、優(yōu)選地，過飽和前驅(qū)體溶液在60～130℃下加熱溶解，保溫3～5小時(shí)。

15、優(yōu)選地，晶體生長(zhǎng)時(shí)的降溫速率為0.5～5℃/h。

16、本發(fā)明還提供一種單一a位且維度可調(diào)的準(zhǔn)二維鈣鈦礦材料，所述準(zhǔn)二維鈣鈦礦材料由上述的制備方法制備而成。

17、優(yōu)選地，所述準(zhǔn)二維鈣鈦礦材料采用單一a位設(shè)計(jì)，且無(wú)機(jī)八面體層數(shù)n在1至6之間可調(diào)。

18、本發(fā)明還提供一種單一a位且維度可調(diào)的準(zhǔn)二維鈣鈦礦材料在制備x射線探測(cè)產(chǎn)品中的應(yīng)用。

19、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的技術(shù)方案具有如下優(yōu)點(diǎn)及有益效果：

20、針對(duì)準(zhǔn)二維鈣鈦礦制備工藝復(fù)雜且晶體穩(wěn)定性欠佳的問題，本發(fā)明提供了一種基于有機(jī)胺陽(yáng)離子的準(zhǔn)二維金屬鹵化物鈣鈦礦材料及制備方法。這種材料不僅簡(jiǎn)化了制備工藝，相比于傳統(tǒng)的固-液反應(yīng)制備方式，本發(fā)明采用的a、b液混合的液-液制備方式，在使有機(jī)胺充分酸化的同時(shí)，還使酸化后的有機(jī)胺離子溶液與含鉛化合物更加充分地接觸，降低了反應(yīng)過程中離子遷移的勢(shì)壘，從而加速該反應(yīng)的速率，提升了產(chǎn)率。此外，還降低了對(duì)環(huán)境的污染，并在空氣中展現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，在空氣中放置30天后，晶體表面并無(wú)明顯潮解變質(zhì)，經(jīng)過后續(xù)測(cè)試，電阻率并無(wú)明顯變化。

21、與目前報(bào)道的多數(shù)準(zhǔn)二維鈣鈦礦相比，它們多以混合a位為主，八面體骨架與層間支撐的有機(jī)陽(yáng)離子不盡相同。而本發(fā)明的鈣鈦礦則采用n-甲基哌嗪形成單一a位設(shè)計(jì)，且通過調(diào)控n-甲基哌嗪和含鉛化合物之間的配比實(shí)現(xiàn)無(wú)機(jī)八面體層數(shù)n在1至6之間連續(xù)可調(diào)，為材料性能的進(jìn)一步優(yōu)化提供了更多可能性。

技術(shù)特征：

1.一種單一a位且維度可調(diào)的準(zhǔn)二維鈣鈦礦材料的制備方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單一a位且維度可調(diào)的準(zhǔn)二維鈣鈦礦材料的制備方法，其特征在于，n-甲基哌嗪和含鉛化合物的摩爾比為1：7～7：1。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單一a位且維度可調(diào)的準(zhǔn)二維鈣鈦礦材料的制備方法，其特征在于，a液中n-甲基哌嗪與氫溴酸的體積比為1:100～1:300。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單一a位且維度可調(diào)的準(zhǔn)二維鈣鈦礦材料的制備方法，其特征在于，b液中每溶解1g的含鉛化合物所用氫溴酸為3～7ml。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單一a位且維度可調(diào)的準(zhǔn)二維鈣鈦礦材料的制備方法，其特征在于，含鉛化合物為碘化鉛、三水合乙酸鉛或氧化鉛中的一種或二種以上。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單一a位且維度可調(diào)的準(zhǔn)二維鈣鈦礦材料的制備方法，其特征在于，過飽和前驅(qū)體溶液在60～130℃下加熱溶解，保溫3～5小時(shí)。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單一a位且維度可調(diào)的準(zhǔn)二維鈣鈦礦材料的制備方法，其特征在于，晶體生長(zhǎng)時(shí)的降溫速率為0.5～5℃/h。

8.一種單一a位且維度可調(diào)的準(zhǔn)二維鈣鈦礦材料，其特征在于，所述準(zhǔn)二維鈣鈦礦材料由權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的制備方法制備而成。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的單一a位且維度可調(diào)的準(zhǔn)二維鈣鈦礦材料，其特征在于，所述準(zhǔn)二維鈣鈦礦材料采用單一a位設(shè)計(jì)，且無(wú)機(jī)八面體層數(shù)n在1至6之間可調(diào)。

10.一種如權(quán)利要求8所述的單一a位且維度可調(diào)的準(zhǔn)二維鈣鈦礦材料在制備x射線探測(cè)產(chǎn)品中的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開一種單一A位且維度可調(diào)的準(zhǔn)二維鈣鈦礦材料及其制備方法和應(yīng)用，屬于建筑材料技術(shù)領(lǐng)域。制備方法包括：首先將N?甲基哌嗪與氫溴酸水溶液混合，進(jìn)行酸化，制得A液，再將含鉛化合物溶解在氫溴酸水溶液中，制得B液，然后將A、B液混合，室溫下產(chǎn)生沉淀，將其加熱至沉淀溶解，保溫3?5h，最后使用降溫結(jié)晶法進(jìn)行晶體生長(zhǎng)。本發(fā)明的報(bào)道的準(zhǔn)二維鈣鈦礦晶體制備時(shí)采用降溫結(jié)晶法，操作簡(jiǎn)單、可控性強(qiáng)、可重復(fù)性好，同時(shí)采用該方法制備的晶體透明度好、穩(wěn)定性好、暗電流小，可以用于X射線探測(cè)。

技術(shù)研發(fā)人員：夏夢(mèng)玲,宋斌,孫錫娟
受保護(hù)的技術(shù)使用者：武漢理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19