过渡金属原子掺杂二维氧化铋纳米片的制备方法
本发明属于纳米材料，涉及一种过渡金属原子掺杂二维氧化铋纳米片的制备方法。
背景技术：
1、以石墨烯为代表的二维材料，例如氮化硼(h-nb)、过渡金属硫属化物(tmdcs)、黑磷(bp)、硒化铟(inse)、铋氧硒(bi2o2se)等二维材料，具有丰富的一系列物理化学特性，包括原子级厚度、可调的能带带隙、表面无悬挂键、超高载流子迁移率和优异的静电可调谐性等优点，被认为是后摩尔时代延续硅基在亚10纳米半导体制程最有潜力的沟道材料之一。二维金属氧化物半导体材料被发现能同时具备高电子空穴载流子迁移特性和超高的空气稳定性，成为最近二维半导体材料研究领域的热点方向之一。其中，以bi2o3为代表的金属氧化物半导体材料，具有优异的物理化学性能、电学性能、高空气稳定性且制备简单，主要应用于光电、催化和能源领域。而过渡金属掺杂bi2o3在二维晶体管电子学的应用依旧稀缺，因此开发高性能过渡金属原子掺杂的二维bi2o3半导体材料对将来应用于电子器件具有重要意义。
2、研究人员主要采用溶液沉淀、微波辅助、热蒸发沉积、原子层沉积(ald)、液态金属剥离和cvd等方法制备了bi2o3的零维纳米颗粒、一维纳米线、一维纳米棒、一维纳米勾、三维纳米花等形貌，且研究了其在光催化、太阳能电池等诸多领域的应用。上述bi2o3材料无法获得二维尺度高结晶质量的bi2o3晶体，无法拓展其在二维晶体管器件领域的研究应用，限制了其在电子学领域的应用。文献1采用原子层沉积(ald)技术制备bi2o3薄膜，这种方法制备的bi2o3薄膜结晶性较差，设备昂贵，不适合大规模制备氧化铋纳米片(y.d.shen,y.w.li,w.m.li,j.z.zhang,z.g.hu,and j.h.chu，growth of bi2o3 ultrathin films by atomiclayer deposition，j.phys.chem.c,2012,116,3449-3456)。文献2采用水热法合成了v掺杂的bi2o3三维纳米花结构，这种方法制备的氧化铋应用于二氧化碳的还原，不适用于电子器件的应用(zhang g,zheng x,cui x,et al.doping of vanadium into bismuth oxidenanoparticles for electrocatalytic co2reduction[j].acs applied nanomaterials,2022,5(10):15465-72)。文献3采用共沉淀法制备了sm掺杂bi2o3纳米颗粒，该方法制备的样品具有针状形貌，结晶性不好，仅仅作为温光光源使用，缺乏电子学领域的应用(divyaj,shivaramu n j,roos w d,etal.synthesis,surface and photoluminescenceproperties of sm3+dopedα-bi2o3[j].journal of alloys and compounds,2021,854:157221)。
3、到目前为止，通过cvd方法制备过渡金属原子掺杂bi2o3的二维半导体材料还未见报道。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种过渡金属原子掺杂二维氧化铋纳米片的制备方法。
2、实现本发明目的的技术方案如下：
3、过渡金属原子掺杂二维氧化铋纳米片的制备方法，包括以下步骤：
4、将二维单层过渡金属硫化物或过渡金属硒化物放置于耐高温石英板上，装载置于第二温区，将bi2o3粉末和nacl颗粒放入石英舟中均匀混合后作为前驱体粉末置于第一温区，通入氩气排除管内残留空气，将第一温区升温至840～870℃，保温10～60min，第二温区升温至400～550℃，保温10～60min，同时通入ar和o2的混合气体，ar:o2的流速比为140～200sccm:1～60sccm，且o2通入量不为0，调节管式炉腔内气压为100～200pa，将第一温区挥发扩散的前驱体粉末气相传输至第二温区，产生化学反应并重新形核生长，得到过渡金属原子掺杂二维氧化铋纳米片。
5、本发明所述的过渡金属原子为钨(w)、钼(mo)、钒(v)、铬(cr)、铁(fe)、钴(co)、镍(ni)、铜(cu)、铌(nb)、钯(pd)、镉(cd)等过渡金属原子，在本发明具体实施方式中，以w、mo为代表例。
6、优选的，过渡金属硫化物为ws2或mos2，过渡金属硒化物为wse2或mose2。
7、优选的，bi2o3粉末和nacl颗粒的质量比为100～200mg：0.5～3mg。
8、优选的，第一温区升温至850℃，保温时间为20min；第二温区升温至450℃，保温时间为20min。
9、优选的，升温速率为20℃/min。
10、优选的，ar:o2的流速比为120sccm:30sccm。
11、优选的，调节管式炉腔内气压为150pa。
12、与现有技术相比，本发明具有以下优点：
13、本发明制备方法简单，首次制备出了高质量的二维矩形纳米片，最大尺寸可达到60μm，最薄厚度低至1nm。本发明制备的过渡金属原子掺杂的氧化铋纳米片具有形核密度大、稳定性佳、厚度及尺寸可控、结晶性良好等优点，不仅丰富了二维半导体纳米材料家族，而且为其在二维晶体管器件的应用研究提供了材料支撑，有望促进过渡金属原子掺杂bi2o3半导体材料在电子、光电等领域的广泛应用。
技术特征：
1.过渡金属原子掺杂二维氧化铋纳米片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，过渡金属原子为钨、钼、钒、铬、铁、钴、镍、铜、铌、钯或镉。
3. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，过渡金属硫化物为ws2或mos2，过渡金属硒化物为 wse2或mose2。
4. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，bi2o3粉末和nacl颗粒的质量比为100~200 mg：0.5~3 mg。
5. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，第一温区升温至850 ℃，保温时间为20 min；第二温区升温至450 ℃，保温时间为20 min。
6. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，升温速率为20 ℃/min。
7. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，ar:o2的流速比为120 sccm:30 sccm。
8. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，调节管式炉腔内气压为150 pa。
9.根据权利要求1~8任一所述的制备方法制得的过渡金属原子掺杂二维氧化铋纳米片。
技术总结
本发明公开了一种过渡金属原子掺杂二维氧化铋纳米片的制备方法。所述方法以二维单层过渡金属硫化物或过渡金属硒化物作为母体材料，将Bi<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;粉末和NaCl颗粒均匀混合放入石英舟中置于双温区CVD管式炉中第一温区，将生长有二维单层过渡金属硫化物或过渡金属硒化物的蓝宝石衬底放置在第二温区，使用混合载气Ar/O<subgt;2</subgt;，通过调控升温速率、保温时间、压强、总载气流量，得到不同形貌和厚度的过渡金属原子掺杂二维氧化铋纳米片。本发明方法制得的过渡金属原子掺杂二维氧化铋纳米片的厚度和尺寸可调控，且化学性质稳定，适用于开发高性能过渡金属原子掺杂的二维Bi<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;半导体材料并应用于电子器件。
技术研发人员：陈翔,李林芸,熊云海,刘本强,赵桐,吴林祥
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5