新型二维晶体材料锑烯的制备及表征

新型二维晶体材料锑烯的制备及表征摘要XX年英国曼彻斯特大学的物理学家安德烈•海姆和康斯坦丁•诺沃肖洛夫成功从石墨中分离出石墨烯，证明二维材料可以在有限温度下稳定存在。从此，二维材料的大幕被缓缓地拉开，以石墨烯、二硫化钼、黑磷为代表的二维材料性能优异，其中在电学、光学、力学以及化学等方面尤为突出，因此受到了无数材料学家的追捧，被认为在未来能大放异彩。然而，由于石墨烯没有带隙、二硫化钼等材料迁移率较低、黑磷的单层结构难以稳定存在等因素，使得这些材料距离实际应用还有较长的路要走。所以，有必要探索并寻找新型的二维材料以满足未来的需求。这里将对二维材料的制备方法：机械剥离法、液相剥离法进行学习与探究。并在此基础上尝试对新型二维材料锑烯的制备及表征。28243关键词二维材料机械剥离法液相剥离法毕业论文设计说明书外文摘要TitleProductionandcharacterizationofnewtypeoftwo-dimensionalmaterialsAbstractWiththeBritishphysicistAndrewGeimandKonstantinNovoselovsuccessfullyisolatedgraphenefromgraphiteandprovedthattwo-dimensionalcrystalscanexistaloneinUniversityofManchester,XX.Anewscientificfield:two-dimensionalmaterialsappearedinfrontofus.Thesenewmaterialsincludinggraphene，2DMoS2andblackphosphoruspresentexcellentproperties,especiallyinelectronic,optical,mechanicalandchemicalproperties.Sotheyarecrazilypursuedbysomanymaterialsscientistsandconsideredasthefuturestars.However,graphenehavenobandgap,othertwo-dimensionalmaterialslikeMoS2’shavelowmobilityandblackphosphorusisnotstableintheairinlayeredstructure.Inordertomeetourfuturedemand,weneedtoexploresomenewtypeoftwo-dimensionalmaterials.HereIstudiedtwomethodsforproducingtwo-dimensionalmaterials:mechanicalexfoliationmethodandliquidphaseexfoliationmethod,andexploitedthesemethodstoproduceantimonene,anewtypeof2Dmaterials.源自X六/维+论-文*网.加7位QQ3249'114Keywordstwo-dimensionalmaterialsmechanicalexfoliationmethodliquidphaseexfoliationmethod目次1绪论11.1引言11.2二维材料的研究现状21.2.1石墨烯21.2.2过渡金属二硫化物31.2.3黑磷31.3新型二维材料的探索41.4二维材料的制备方法41.4.1机械剥离法41.4.2液相剥离法61.5本毕设的目的72实验方法82.1实验思路82.2实验材料82.3实验设备83机械剥离法的实践113.1制备过程113.2样品观测123.3数据分析134液相剥离法制备锑烯154.1有机溶剂的选择154.2试剂的优化184.3厚度的测量214.4光吸收的检测21结论24致谢25参考文献261绪论1.1引言XX年，首个稳定存在的单层石墨烯在曼彻斯特大学被成功制备出来。这一实验也使得物理学家安德烈•海姆和康斯坦丁•诺沃肖洛夫获得了XX年的诺贝尔物理学奖。不得不说，这一实验与发现意义十分重大，因为这不仅证明了从块体材料中剥离出单层二维材料的可能性，还开拓了二维材料这一全新的研究领域。前者令整个凝聚态物理学界震撼，因为在此前，物理学家们普遍认为，由于热力学的涨落，任何完美的二维晶体在有限温度下都是不可能单独存在的[1]。但石墨烯毕竟在实验中被制备出来了，所以相关的理论研究都需要进行进一步的发展与完善。而后者则显得更为重要，因为这具有开创性！:材料的性能往往是由它们的结构所决定的。二维材料中，由于电荷和热能的传播被局限在唯一的平面上，使得他们展现出一些不同于块体材料的物理性能。如铁磷族元素化合物等，这些材料所表现出的电荷密度波现象，高温超导等就和它们的二维结构性具有很大的关联[2]。而许多二维材料也由于它们的结构特性而具有极其优异的性能，这也使得这些材料界的新星受到了无数材料学家的追捧。具体就以二维材料中的代表石墨烯为例，它是由sp2杂化的碳原子以六方蜂巢的形式成键所形成的二维平面单层结构，属于碳的同素异形体。通过卷曲和堆叠可以生产出一维的碳纳米管和三维的石墨。石墨烯的结构十分稳定，碳碳键长仅为1.42埃。内部的碳原子之间的连接很柔韧，当施加外力在石墨烯上时，碳原子面会发生弯曲变形，使得碳原子不必重新排列来适应外力，从而保持了结构的稳定。这种稳定的晶格结构使石墨烯具有优秀的导热性。又由于原子间作用力很强，在室温下，即使周围碳原子发生碰撞，内部电子受到的干扰也非常小。石墨烯的电学、力学、光学、电化学等性能都十分的优秀。石墨烯是全世界已知的最坚硬的纳米材料，光吸收率只有2.3％[3]，具有极高的透光率，且电阻比银还小，是目前世界上电阻率最低的材料，它还具有惊人的电子迁移率，理论上可以达到光速的三百分之一，且在正常实验情况下也比硅快得多，其值超过了15000cm2V-1s-1。这使得它可以作为下一代的的超薄且导电速率更快的电子元件或晶体管。除此之外，在K点的色散使得石墨烯还可以在室温下发生量子霍尔效应，并且开辟了全新的“费米迪拉克”物理学[4]。这些性质，使石墨烯具有广泛的应用前景，其中包括制造电容材料、气敏元件、液晶显示材料、复合材料、储氢材料、超导材料等。源自X六/维+论-文*网.加7位QQ3249'114虽然二维材料具有这些优异的性能，可作为未来材料的候选，但它们也同样存在着一些棘手的问题，使得将其实际的应用化变得遥遥无期，尤其是在制备光电器件方面。依旧以石墨烯为例，虽然具有极高的电子迁移率，有望替代硅成为下一代更高速的电子器件的基础材料，甚至IBM已经着手开发基于石墨烯的下一代电脑的CPU芯片。但它也有一个致命的问题：没有带隙。纯石墨烯是一种半金属或是零能隙的半导体。这使得它不具备普通半导体的性质，无法实现开关。而之后发现的新型二维材料诸如二硫化钼，黑磷等也存在着各自的问题。前者在剥离到少层后电子迁移率突然大幅下降[5]，后者则难以稳定存在。不过，研发人员们也在探索克服这些问题的方法。1.2二维材料的研究现状1.2.1石墨烯作为最典型的二维材料，更是作为一种新型半导体，石墨烯一直受到人们的持续关注与研究。然而零带隙的性质对其进一步的发展产生了不小的阻力，因此能否有效调节其电学性质决定着这种材料在微电子等领域中的应用前景。除此之外，如何高效地制备出的高纯度，无缺陷的石墨烯也是一个不小的挑战。就目前而言，掺杂似乎是调控石墨烯电学性质的较为有效的手段，而氮掺杂的技术较为成熟。虽然石墨烯的二维六方蜂巢结构给掺杂带来了较大的困难，但经过不断地探索，如今可以利用离子注入技术，将高能离子轰击使石墨烯产生碳原子空位，之后再在氨气气氛中进行高温退火，利用氨气分解后产生的氮原子来填补碳原子空位缺陷，实现氮原子的掺杂[6]。至于高质量石墨烯的量产，可以用液相剪切剥离大规模制备高质量无缺陷的少层石墨烯。通过将石墨高剪切分散于合适稳定的分散剂引起其大规模剥离，得到层状石墨纳米片的分散液。通过X射线光电子能谱和拉曼光谱检测发现，剥离的石墨烯片未被氧化，而且基面无缺陷[7]。该法不但适用于石墨烯，而且还适用于其他二维材料的制备。XX年，IBM宣布,他们已经成功将纳米级石墨烯场效应晶体管的频率提高到GHz级别,这也是这种非硅电子材料迄今为止所能达到的最高频率。XX年12月IBM公司于发布了其与麻省理工学院的共同研究成果——在SiC基板上形成的栅长为240nm的石墨烯场效应晶体管，并验证其截止频率为230GHz，这远远高出了半导体硅的晶体管频率。同年，美国宾夕法尼亚大学成功制备出100mm的纯石墨烯晶圆，达到之前最高纪录的两倍。现在，包括IBM在内的多个龙头企业都花费巨资着手研究石墨烯芯片，这些都说明了石墨烯的地位之重要。它被给予厚望，引领微电子领域材料的未来。1.2.2过渡金属二硫化物本征石墨烯是零带隙半导体，所以大大限制了其在光电子领域方面的应用，虽然可通过掺杂等方法获得一定的带隙，但是会对其整体性能产生不利的影响。因此，人们开始寻找新的二维材料。其中迅速被发现且有望成为石墨烯有力“竞争者”的，就是过渡金属二硫化物。具有与石墨烯相似的二维结构，最重要的是，二硫化物具有较大的能隙，且与硅相近。当过渡金属二硫化物从块体变为二维结构时，它的能带结构会从间接带隙变为直接带隙,光电性能产生较大的变化[8]。如此看来，过渡金属二硫化物在光电子器件领域的性能优势十分明显，可做发光源或传感设备等[9]，而且，由于独特的结构特征，过渡金属二硫化物的电化学性能也很优异。在锂离子电池及超级电容方面，它的表现令人期待。由于具有如此广阔的前景，过渡金属二硫化物将会持续受到研究人员的关注。虽然有如此多的优良性能，但目前对过渡金属二硫化物的研究还远没有石墨烯成熟。事实上，对块体材料的二硫化物的研究已经有数十年，但对其二维形态的研究是近年来才开始的，所以依旧处于初级阶段。目前还有很多的问题需要解决，主要是过渡金属二硫化物的电子迁移率本身并不高，不论是二维形态还是块体材料。所以即使有带隙也难以直接接替硅成为未来更加高速的微电子器件的基础材料。而且大尺寸的制备还有很多困难，制备出的质量也并不高等。源自X六/维+论-文*网.加7位QQ3249'1141.2.3黑磷作为又一种新的二维材料，黑磷的出现令不少人为之振奋，因为它被认为能解决一些石墨烯的问题。作为磷的同素异形体，黑磷的反应活性是最弱的，它不会在空气中自燃，因此是稳定的。它的制备方法十分简单：将白磷置于高温高压状态下一段时间，便可转化为黑磷了。这转变不止是它的颜色变化，性质变稳定，而且变成了纯晶体形态。相比于石墨烯，它还和硅有良好的相容性，更重要的是，它具有能隙。所以在电子设备中将会有更多的应用。包括：晶体管、传感器、开关等。而且令人高兴的是，黑磷片层现在已经可以实现高质量的量产，且方法也较为简单。之前，很多都是机械剥离法，该技术只适用于实验室阶段。就算是液相法，也往往都是通过液相层层剥离的方法得到片层状的黑磷，这样效率很低，难以满足实际的工业化需求。现在，研究人员发现，将黑磷浸没在溶液中，通过超声波降解，可以实现简单且高效的剥离，其时间更短，达到的效果和层层剥离法相同。之后再置于有机溶剂DMF和DMSO中，这是目前各类溶剂中所找到的最佳溶剂，他们能进一步分解层与层之间的范德华力，以产生高质量的黑磷单晶层片[10]。这依然是液相剪切剥离法，该方法已被证明是大规模制备二维材料的可行方法。不可避免的，虽然具有如此多的优势，但黑磷也存在十分棘手的问题，主要是黑磷纳米片的不稳定性，它会与水或氧气反应，因此单独稳定存在比较困难。除此之外，黑磷在层层剥离之后电子迁移率会不断下降，二维黑磷纳米片不再具有有块体黑磷的高电子迁移率。这些因素都制约着它的进一步发展。1.3新型二维材料的探索现有的二维材料包括石墨烯、过渡金属二硫化物、黑磷、硅烯、锗烯等。虽然它