一种高稳定黑磷单晶的制备方法.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN115522260A(43)申请公布日2022.12.27(21)申请号202211348617.3(22)申请日2022.10.31(71)申请人陕西科技大学地址710021陕西省西安市未央大学园区(72)发明人丁利苹郭紫傲尉国栋苏莹娄瑞唐妍郭一锦曾佳豪(74)专利代理机构西安铭泽知识产权代理事务所(普通合伙)61223专利代理师庄华红(51)Int.Cl.C30B29/02(2006.01)C30B23/00(2006.01)权利要求书1页说明书4页附图3页(54)发明名称一种高稳定黑磷单晶的制备方法(57)摘要本发明属于黑磷制备方法技术领域，具体涉及一种高稳定黑磷单晶的制备方法，包括以下步骤：对清洗好的石英管进行涂碳处理，称取红磷、锡、碘、固态碳源一起密封于涂碳的石英管中，将石英管放置于马弗炉中进行热处理，之后冷却至室温，制得黑磷晶体。本发明在石英管涂碳可以防止杂质影响制备黑磷的纯度，同时高质量的碳层可以帮助黑磷形核；在黑磷生长过程中加入了固态碳源，可以实现对黑磷进行碳掺杂，同时过量的碳可以包覆黑磷表面，显著提升黑磷的稳定性。CN115522260ACN115522260A权利要求书1/1页1.一种高稳定黑磷单晶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、在石英管内壁生成碳层；S2、在保护气体氛围下，于手套箱中称取红磷、锡、碘、固态碳源；S3、将S2称取的红磷、锡、碘、固态碳源混合后，装入S1涂碳的石英管中，密封，升温至600～620℃进行分解，之后降温至450～480℃保温，冷却至室温，制得黑磷单晶。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，S1中，在清洗后的石英管中通入丙酮蒸汽，并在800～1100℃下，使石英管内壁生成碳层。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，S1中，具体操作为：将清洗后的石英管置于加热炉上，控制炉温至800～1100℃，将丙酮蒸汽输送至石英管，同时以10～20cm/10s的速度移动载有石英管的加热炉，使石英管内壁生成碳层。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，S1中，采用通入氩气鼓泡的方式输送丙酮蒸汽进入石英管。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，S2中，固态碳源为聚苯乙烯，红磷、锡、碘、聚苯乙烯的摩尔比为300:30:10:0.1。6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，S3中，保温过程中，石英管内的压强为16～20MPa。7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，S3中，保温4h。8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，S3中，将密封后的石英管放置于马弗炉中进行热处理，每次可同时放置10～40根石英管，且将每根石英管隔开。2CN115522260A说明书1/4页一种高稳定黑磷单晶的制备方法技术领域[0001]本发明属于黑磷制备方法技术领域，具体涉及一种高稳定黑磷单晶的制备方法。背景技术[0002]黑磷作为磷的常见四种同素异形体，它具有类似石墨的层状结构，层与层之间通过范德华力相互作用堆叠在一起，它结构中区别于石墨的最大特点在于，其同一层内的磷原子不在同一平面内，沿着b轴呈褶皱的层状排列，且层间距比石墨大(约5埃)。黑磷具有的独特的二维结构使其展现出许多优异特性，如较高的载流子迁移率、明显的各向异性以及可由层数调控带隙宽带等，同时它是直接带隙半导体，以及比石墨更高的理论电池容量2596mAh/g，这些优点都使得它在电子、光电器件及其新能源领域具有极大的应用前景。[0003]传统的制备黑磷方法是在高压(12000atm)、高温(1000℃)下加热红磷，或者在常压下用汞做催化剂进行制备，但上述制备黑磷的方法往往具有高毒性、稳定性差、需要超高压、高温等不足。化学气相传输法(CVT)是一种近年来最受关注的可用于制备二维材料的方法，该方法的制备工艺更加便捷，且产物在尺寸和结晶度上也取得了巨大的突破，Nilges等人通过CVT方法制备出体积大于1cm3的黑磷单晶，但是CVT方法在制备过程中容易受杂质影响，破坏制备出的黑磷结构。[0004]值得提出的是，阻碍黑磷应用的主要因素是其在水、氧气和空气环境下稳定性很差，尤其是少层黑磷纳米片很容易被氧化降解。根据文献报道，通常提升黑磷稳定性的方法有表面封装、元素掺杂和化学功能化。表面封装是将表面惰性的物质覆盖在少层黑磷的表面，但是其工业复杂，且惰性物质也价格较贵，覆盖大面积的黑磷较难，不适用于工艺大规模使用；化学功能化是通过共价修饰、配位作用等提升黑磷的稳定性，一般采取表面功能化，从而保护黑磷的表面原子提高黑磷的稳定性，但是表面功能化也会在很大程度上破坏黑磷的结构。元素掺杂是对黑磷掺杂原子、与稳定材料形成杂化材料来提高黑磷稳定性，但元素掺杂对黑磷的稳定性提升