一種硒化亞錫正方形納米片及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于納米材料制備的技術領域，特別涉及了一種簡單的制備砸化亞錫正方形納米片的方法。
【背景技術】
[0002]隨著對納米材料研宄的廣泛和深入，人們發現納米材料具有大的比表面積，表面原子數、表面能和表面張力隨粒徑的下降急劇增加，表現出小尺寸效應、表面效應、量子尺寸效應及宏觀量子隧道效應等特點，從而導致納米材料在磁學，電學，光學，力學性能等方面都不同于傳統材料。其中，納米片狀結構材料由于其僅在一個維度上的尺寸遠遠小于其它維度尺寸，被稱為二維納米材料。這種材料在微電子器件，電子光學器件等方面有著廣闊的應用前景。因此，探尋納米片狀結構材料新的制備方法，開展新性能的研宄工作都具有重大的意義。
[0003]砸化亞錫(SnSe)是一種具有層狀正交結構的P型半導體材料。由于其組成元素完全無毒，化學性質穩定，地球儲量豐富，且光學帶隙(?1.2eV)與可見光帶隙有很好的光譜匹配，因此砸化錫一直被視為是一種環境友好的具有廣闊應用前景的太陽能電池材料。SnSe納米材料一直都是研宄的熱點，現在有關SnSe納米材料的制備工作主要有:零維 SnSe 納米顆粒(Journal of the American Chemical Society 132 (2010) 9519-9521),一維 SnS 納米線(Chemistry Letters 32 (2003) 426-427)，二維 SnS 薄膜(Acs Nano5(2011)8852-8860)等。上述方法大致分為兩類:濕化學法(水熱合成，化學浴法，溶膠-凝膠法等)和無溶液法(化學/物理氣相沉積)。但上述制備方法普遍存在反應耗時長，產量小，需要添加反應催化劑、表面活性劑，依賴基底生長等特點，這導致成本過高，制備過程產生對環境的二次污染。此外，由于反應步驟繁瑣，前驅物、中間產物、溶劑殘余等在產物中很難去除而吸附在產物表面，這對進一步研宄SnSe的本質屬性工作帶來了巨大困難。
[0004]對于利用電弧法制備SnSe納米片還未見報道。

【發明內容】

[0005]本發明要解決的技術問題是，彌補傳統制備方法存在的諸多缺陷，提供一種工藝簡單、節能環保、純度高、產量大、生產成本較低且可控制備砸化亞錫(SnSe)正方形納米薄片的制備方法，為IV-VI族P型半導體材料的制備指出一個新的方向。
[0006]本發明所述的砸化亞錫(SnSe)正方形納米片，納米片的主要成分是Sn和Se，二者摩爾比例為1:1，其特征在于，納米片由正交晶體結構的SnSe構成，呈規則的正方形片狀；納米片的邊長約為200?400nm，厚度約為20?30nm。上述的該結構中正方形納米片的邊長、厚度都比較均勻，片體間分散性好。
[0007]本發明的砸化亞錫(SnSe)正方形納米片的制備方法，是采用直流電弧等離子體放電裝置，具體裝置可見說明書附圖1。具體的技術方案如下。
[0008]一種砸化亞錫正方形納米薄片的制備方法，有如下步驟:將錫(Sn)粉、砸(Se)粉按摩爾比1:1比例混合均勻，壓成混合粉的壓塊；將壓塊置于石墨鍋內，石墨鍋放入直流電弧放電裝置的反應室內的銅鍋陽極中，鎢棒陰極與銅鍋陽極相對放置，帶有頂蓋的雙層圓筒形的冷凝壁置于反應室內，并將鎢棒陰極與銅鍋陽極罩在其中，雙層圓筒內通循環冷卻水；充入體積比氬氣:氮氣=I: I的混合氣體，至反應室內氣壓為15?20kPa進行放電反應，保持放電電壓為18V、電流為80?85A，反應I?2分鐘；反應結束后，在氬氣中鈍化I?2小時；在冷凝壁頂蓋內側收集灰黑色粉末為SnSe正方形納米片。
[0009]所述的壓塊，密度最好為3.5?4.5g/cm3。
[0010]所述的在氬氣中鈍化，是在反應結束后，將反應室抽成真空后充入氬氣至氣壓為10 ?20kPa。
[0011]所述的銅鍋陽極，制成殼體，其內通入循環冷卻水。循環冷卻水為銅鍋陽極降溫，以保護其不被燒壞。
[0012]本發明利用直流電弧放電裝置制備SnSe正方形納米片具有工藝簡單環保、反應快速、低成本、無污染、產量大、樣品純度高、可重復性好；無需任何基片，無需添加催化劑、表面活性劑；制備的產品在太陽能電池轉換，全息記錄，近紅外光電設備，可循環鋰離子電池等方面具有廣泛的潛在應用價值。
【附圖說明】
[0013]圖1本發明直流電弧放電裝置結構圖。
[0014]圖2是實施例2制得的SnSe納米片的掃描式電子顯微鏡(SEM)譜圖。
[0015]圖3是實施例2制得的SnSe納米片的能譜分析(EDS)譜圖。
[0016]圖4是實施例2制得的SnSe納米片的透射電子顯微鏡(TEM)譜圖。
[0017]圖5是實施例2制得的SnSe納米片的高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)譜圖及選區電子衍射(SAED)譜圖。
[0018]圖6是實施例2制得的SnSe納米片的X射線衍射(XRD)譜圖。
[0019]圖7是比較例I制得的輪廓無規則的SnSe納米片透射電子顯微鏡(TEM)譜圖。
[0020]圖8是比較例2制得的無定形狀的SnSe納米材料的透射電子顯微鏡(TEM)譜圖。
【具體實施方式】
[0021]實施例1直流電弧放電裝置結構
[0022]結合圖1說明本發明制備SnSe納米片的直流電弧裝置結構。圖1中，I為直流電弧裝置的外玻璃罩，2為冷凝壁的頂蓋，3為冷凝壁，4為由鎢棒構成的陰極，5為反應初始原料壓塊(嵌于石墨鍋內)，6為石墨鍋(置于銅鍋內)，7為由銅鍋構成的陽極，8為陽極進水口，9為陽極出水口，10為進氣口，11為出氣口，12為冷凝壁進水口，13為冷凝壁出水口。
[0023]在冷凝壁3中通入冷卻水為制備SnSe納米片的關鍵，放電時反應腔內產生高溫，由于冷卻水的作用使反應腔內各處與電弧源之間產生溫度梯度，從而制得高純的SnSe正方形納米片。
[0024]實施例2制備最佳SnSe正方形納米片的全過程。
[0025]將純度為99.99%的Sn粉、Se粉按照摩爾比為1:1的比例放入混料機中混合均勻。取出5g的混合粉，使用壓片機壓塊，壓成直徑為1.8cm，高為0.5cm的圓柱體。將壓成的混合粉的壓塊放入石墨鍋后，再一并放入直流電弧放電裝置的反應室的陽極銅鍋中。陰極為鎢棒電極。將直流電弧放電裝置的反應室抽成真空(最好小于IPa)，然后按體積比氬氣:氮氣=I: I充入混合氣體10?15kPa，冷凝壁和銅鍋通入循環冷卻水，開始放電。在放電過程中保持電壓為18V，電流為80?85A，反應I?2分鐘。反應結束后，將反應腔內抽真空后，再充入氬氣10?20kpa，使樣品在氬氣環境中鈍化I?2小時，在冷凝壁的頂蓋內腔一側收集到灰黑色的SnSe正方形納米片。
[0026]圖2給出上述條件制備的SnSe正方形納米片的SEM圖，可以看出樣品為規則的正方形納米片，邊長為200?400nm，厚度為20?30nm。圖3給出上述條件制備的SnSe納米片的EDS圖，可以得出納米片是由Sn和Se兩種元素組成，并且兩種元素的原子比例為1:1。圖4給出上述條件制備的SnSe正方形納米片的TEM圖，進一步確認樣品為納米片形貌。圖5、圖6給出上述條件制備的SnSe納米片的HRTEM圖、SAED圖和XRD譜圖，證明SnSe納米片為正交相單晶。
[0027]比較例I制備輪廓無規則的SnSe納米片的全過程。
[0028]將純度為99.99 %的Sn粉、Se粉按照摩爾比為1:1比例放入混料機中混合均勻。取出5g的混合粉，使用壓片機壓塊，壓成直徑為1.8cm，高為0.5cm的圓柱體。將壓成的混合塊放入石墨鍋，再一并放入直流電弧放電裝置的反應室的陽極銅鍋中。陰極為鎢棒電極。將直流電弧放電裝置的反應室抽成真空(最好小于Ipa)，然后充12kpa氬氣。冷凝壁和銅鍋通入循環冷卻水，開始放電。在放電過程中，保持電壓為15?20V，電流為80A，反應3分鐘。反應結束后，將反應腔內抽真空后，再補入氬氣至10?20kpa，使樣品在氬氣環境中鈍化I?2小時，在冷凝壁的頂蓋內腔一側收集到灰黑色的SnSe樣品。圖7給出上述條件制備的SnSe的TEM圖，確認制得的產物為輪廓不規則的SnSe納米片。
[0029]比較例2制備無定形狀的SnSe納米材料的全過程。
[0030]將純度為99.99 %的Sn粉、Se粉按照摩爾比為1:1比例放入混料機中混合均勻。取出5g的混合粉，使用壓片機壓塊，壓成直徑為1.8cm，高為0.5cm的圓柱體。將壓成的混合塊放入石墨鍋，再一并放入直流電弧放電裝置的反應室的陽極銅鍋中。陰極為鎢棒電極。將直流電弧放電裝置的反應室抽成真空(最好小于lpa)，然后充15kPa氮氣。冷凝壁和銅鍋通入循環冷卻水，開始放電，在放電過程中，保持電壓為18V，電流為85A。反應3分鐘后，反應結束后，將反應腔內抽真空后，再充入氬氣10?20kpa，使樣品在氬氣環境中鈍化I?2小時，在冷凝壁的頂蓋內腔一側收集到灰黑色的SnSe樣品。圖8給出上述條件制備的無定形SnSe納米材料的TEM圖，確認制得的產物為無定形狀的SnSe塊體材料。
【主權項】
1.一種砸化亞錫正方形納米片，主要成分是Sn和Se，二者摩爾比例為1: 1，其特征在于，納米片由正交晶體結構的SnSe構成，呈規則的正方形片狀；納米片的邊長約為200?400nm，厚度約為20?30nm。
2.一種權利要求1的砸化亞錫正方形納米片的制備方法，有如下步驟:將錫粉、砸粉按摩爾比1:1比例混合均勻，壓成混合粉的壓塊；將壓塊置于石墨鍋內，石墨鍋放入直流電弧放電裝置的反應室內的銅鍋陽極中，鎢棒陰極與銅鍋陽極相對放置，帶有頂蓋的雙層圓筒形的冷凝壁置于反應室內，并將鎢棒陰極與銅鍋陽極罩在其中，雙層圓筒內通循環冷卻水；充入體積比氬氣:氮氣=I: I的混合氣體，至反應室內氣壓為15?20kPa進行放電反應，保持放電電壓為18V、電流為80?85A，反應I?2分鐘；反應結束后，在氬氣中鈍化I?2小時；在冷凝壁頂蓋內側收集灰黑色粉末為SnSe正方形納米片。
3.根據權利要求2所述的砸化亞錫正方形納米片的制備方法，其特征在于，所述的壓塊，其密度為3.5?4.5g/cm3?
4.根據權利要求2或3所述的砸化亞錫正方形納米片的制備方法，其特征在于，所述的在氬氣中鈍化，是將反應室抽成真空后充入氬氣，至氣壓為10?20kPa。
5.根據權利要求2或3所述的砸化亞錫正方形納米片的制備方法，其特征在于，所述的銅鍋陽極，制成殼體，其內通入循環冷卻水。
【專利摘要】本發明的一種硒化亞錫正方形納米片及其制備方法，屬納米材料制備的技術領域。將錫粉、硒粉混合均勻壓成壓塊；將壓塊置于石墨鍋內，石墨鍋放入直流電弧放電裝置反應室內的銅鍋陽極中，鎢棒陰極與銅鍋陽極相對放置；冷卻壁通入循環冷卻水；在氬、氮的混合氣體中進行放電反應，放電電壓為18V、電流為80～85A，反應1～2分鐘；再在氬氣環境中鈍化，在冷凝壁的頂蓋內側收集灰黑色粉末為SnSe正方形納米片。本發明的樣品純度高，結晶性好，形貌尺寸均一；制備過程中無需任何基片、模板、催化劑，對環境友好；制備時間短、能耗少、成本低、可重復性高。制備的產品在太陽能電池轉換，全息記錄，可循環鋰離子電池等方面具有潛在應用價值。
【IPC分類】C01B19-04, B82Y40-00, B82Y30-00
【公開號】CN104692341
【申請號】CN201510086479
【發明人】崔啟良, 張健, 王秋實, 祝洪洋, 武曉鑫, 江俊儒, 李冬梅, 古雅榮
【申請人】吉林大學
【公開日】2015年6月10日
【申請日】2015年2月17日