CN101311381A - ZrS3和ZrS2纳米带及其制法 - Google Patents

ZrS3和ZrS2纳米带及其制法 Download PDF

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Abstract

ZrS3纳米带，它为单斜晶系的、厚度为40－160nm、宽度为80－1500nm、长度为几十微米的ZrS3纳米带。ZrS2纳米带是ZrS3纳米带真空热解得到的，它为六方晶系，形貌与大小几乎与ZrS3的一致。本发明公开了其制法。

Description

ZrS3和ZrS2纳米带及其制法
技术领域
本发明涉及三硫化锆和二硫化锆纳米带及其制法。具体地说，是用气相传输法在基片上定向生长制备ZrS3和ZrS2纳米带。
背景技术
近年来，一维纳米材料因其具有独特的形貌，及其因为其量子效应而具有的特殊的物理和化学性质而引起了科学界的广泛关注，因为它们无论是在基础科学研究还是在纳米器械技术应用方面都具有极其重大的意义、[参见：(a)Bawendi M G，Steigerwald M Land Brus L E 1990 Annu.Rev.Phys.Chem.41477(b)Alivisatos A P 1996 Science 271 933.(c)Weller H 1993 Angew.Chem.Int.Ed.3241.(d)Duan X，Huang Y，Cui Y，Wang J and LieberC M 2001 Nature 409 66.(e)Konvtyukhova N I and Mallouk T E 2002 Chem.Eur.J.32435.]。对于一维纳米材料的研究，人们已不局限于无序纳米材料的生产，而是试图使一维纳米材料垂直于基片生长形成纳米阵列，已经被相继发现和报道的例子有：碳纳米管[参见：Araki H，Katayama T and Yoshino K 2001 App1.Phys.Lett.79 2636.]、SiC纳米锥[参见：Wu Z S，Deng S Z，Xu N S，Chen J，Zhou J and Chen J 2002 Appl.Phys.Lett.80 3829.]、Mo(MoO2和MoO3)纳米线[参见：Zhou J，Xu N S，Deng S Z，Chen J，She J C and Wang Z L2003 Adv.Mater.151835.]ZnO纳米线[参见：Huang M H，Mao S，Feick H，Yan H，Wu Y，Kind H，Weber E，Russo R and Yang P 2001 Science 292 1897.]等都在作为场发射体的导电基片上垂直生长。
ZrS3是一低维宽隙带半导体，晶体具有准一维结构，此材料的光学和电学性质被广泛研究，但到目前为止，关于ZrS3纳米晶体的研究就只有一篇文献报道。ZrS2也是低维宽隙带半导体，金属层夹在两层类硫离子中间，金属处于八面体配位的模式。目前报道的过度金属二类硫化合物有：NbS2，TaS2，MoS2，TiS2，和WS2等。此外还有ZrS2的两种纳米结构也被报道过，但他们都缺乏物理和化学性质的研究。这里，应用气相法在锆片上生长ZrS3纳米线，在真空下ZrS3热解转化成ZrS2纳米带，同时测量了它们的场发射性质。
发明内容
本发明的目的是提供ZrS3和ZrS3纳米带及其制备方法。
本发明的技术方案如下：
一种ZrS3纳米带，它为单斜晶系的、厚度为40-160nm、宽度为80-1500nm、长度为几十微米的ZrS3纳米带。
一种ZrS2纳米带，它是上述的ZrS3纳米带在750-850℃真空下热解得到的、为六方晶系的ZrS2纳米带，其形貌与大小几乎与ZrS3的一致，即厚度为40-160nm、宽度为80-1500nm、长度为几十微米的ZrS2纳米带。
一种制备上述ZrS3纳米带的方法，它是将锆片与硫粉放入石英管中，抽真空至内剩压力100Pa以下，将石英管烧密封，把石英管放在水平放置的管状熔炉中，使样品置于炉子的中间在500-700℃下加热2-10小时，即在锆片表面生长出上述的单斜晶系的ZrS3纳米带。
一种制备上述ZrS2纳米带的方法，它是将上述制备得到的生长了ZrS3纳米带的锆片冷却至室温后，再把它放入石英管的一端，抽真空至内剩压力10-2Pa以下，将石英管烧密封后，将石英管放入管状熔炉中间，使放有锆片的石英管一端放在管状熔炉的中央，石英管的另一端伸出管状熔炉外，在750-850℃下加热10-90分钟，锆片上的ZrS3纳米带即热解成ZrS2纳米带。
石英管的另一端伸出熔炉外是为了将分解形成的硫在这一端冷凝，防止硫返回样品端。
上述的制备ZrS2纳米带的方法，为了防止在加热过程中空气进入石英管内，可以在石英管外、炉管内通入氩气。
本发明的ZrS3和ZrS2纳米带经XRD测定，峰的位置与强度都与文献值相匹配。因为在锆片上反应，有锆峰，但没有发现其它杂峰，表明产品的纯度比较高。通过SEM照片，纳米带厚度为40-160nm、宽度为80-1500nm。
从ZrS2的场发射可以看出ZrS2纳米带具有非常好的场发射性质(见图4)，在真空微电子器械方面及电极材料方面有很好的应用前景。
本发明的制备ZrS3和ZrS2纳米带的方法原料简单易得、条件简便易行，所得的纳米带为纯的ZrS3和ZrS2纳米带。
附图说明
图1为本发明的ZrS3(a)和ZrS2(b)纳米带的XRD图；
图2为本发明的ZrS3纳米带的TEM照片(a)和相应的选区电子衍射和SEM照片(b)；
图3为本发明的ZrS2纳米带的TEM照片(a)和相应的选区电子衍射和SEM照片(b)；
图4为本发明的ZrS3(a)和ZrS2(b)纳米带场发射图。
具体实施方式
实施例1.ZrS2和ZrS3纳米带的制备
A.将锆片(83.6mg)与硫粉(88.5mg)密封在石英管(Ф6mm×10mm，ca.10-2Pa)中，样品放在石英管的一端。把石英管放在水平的放置的熔炉(furnace tube：Ф5cm×30cm)中，使样品置于炉子的中间，在650℃下加热10小时，冷却，即在锆片上形成了ZrS3纳米带。
B.将上述得到的ZrS3冷却至室温后，再把它放入石英管一端抽真空后(Ф6mm×26mm，ca.10-2Pa)密封，样品放入熔炉中间，石英管的另一端在距炉子的外端10cm处，在炉管内通氩气，在820℃下加热1.5小时。反应后冷却至室温把样品拿出。
本实施例制得的ZrS3和ZrS2纳米带经XRD测定，ZrS3纳米带为单斜晶系，ZrS2纳米带为六方晶系，峰的位置与强度都与文献值相匹配(见图1)。因为生长在锆片上，有锆峰，但没有发现其它杂峰，表明产品的纯度比较高。通过SEM照片测得，纳米带厚度为40-160nm、宽度为80-1500nm(见图2和图3)。
将制得的ZrS3和ZrS2纳米带进行场发射测定，结果见图4。
实施例2.ZrS3和ZrS2纳米带的制备
将锆片(83.6mg)与硫粉(88.5mg)密封在石英管(Ф6mm×10mm，ca.10-2Pa)中，样品放在石英管的一端。把石英管放在水平的放置的熔炉(furnace tube：Ф5cm×30cm)中，使样品置于炉子的中间在500℃下加热10小时。制备的其他条件同实施例1的A。同样也得到尺寸和形态类似实施例1的ZrS3纳米带。
将得到的ZrS3纳米带如实施例1的B，但加热温度改变为750℃，其它条件不变，得到得到尺寸和形态类似实施例1B的ZrS2纳米带。
实施例3.ZrS3和ZrS2纳米带的制备
将锆片(83.6mg)与硫粉(88.5mg)密封在石英管(Ф6mm×10mm，ca.10-2Pa)中，样品放在石英管的一端。把石英管放在水平的放置的熔炉(furnace tube：Ф5cm×30cm)中，使样品置于炉子的中间在550℃下加热10小时。制备的其他条件同实施例1的A。同样也得到尺寸和形态类似实施例1A的产品。
将得到的ZrS3纳米带如实施例1的B，但加热温度改变为850℃，加热10分钟，其它条件不变，得到得到尺寸和形态类似实施例1B的ZrS2纳米带。
实施例4.ZrS3和ZrS2纳米带的制备
将锆片(83.6mg)与硫粉(88.5mg)密封在石英管(Ф6mm×10mm，ca.10-2Pa)中，样品放在石英管的一端。把石英管放在水平的放置的熔炉(furnace tube：Ф5cm×30cm)中，使样品置于炉子的中间在600℃下加热8小时。制备的其他条件同实施例1A。同样也得到尺寸和形态类似实施例A的产品。
将得到的ZrS3纳米带如实施例1的B，但加热温度改变为820℃，加热50分钟，其它条件不变，得到得到尺寸和形态类似实施例1B的ZrS2纳米带。
实施例5.ZrS3和ZrS2纳米带的制备
将锆片(83.6mg)与硫粉(88.5mg)密封在石英管(Ф6mm×10mm，ca.10-2Pa)中，样品放在石英管的一端。把石英管放在水平的放置的熔炉(furnace tube：Ф5cm×30cm)中，使样品置于炉子的中间在700℃下加热2小时。制备的其他条件同实施例1A。同样也得到尺寸和形态类似实施例A的产品。
将得到的ZrS3纳米带如实施例1的B，但加热温度改变为820℃，加热70分钟，其它条件不变，得到得到尺寸和形态类似实施例1B的ZrS2纳米带。
实施例6.ZrS3和ZrS2纳米带的制备
将锆片(83.6mg)与硫粉(88.5mg)密封在石英管(Ф6mm×10mm，ca.10-2Pa)中，样品放在石英管的一端。把石英管放在水平的放置的熔炉(furnace tube：Ф5cm×30cm)中，使样品置于炉子的中间在650℃下加热2小时。制备的其他条件同实施例1。同样也得到尺寸和形态类似实施例1A的产品。
将得到的ZrS3纳米带如实施例1的B，但加热温度改变为820℃，加热90分钟，其它条件不变，得到得到尺寸和形态类似实施例1B的ZrS2纳米带。
实施例7.ZrS3和ZrS2纳米带的制备
将锆片(83.6mg)与硫粉(88.5mg)密封在石英管(Ф6mm×10mm，ca.10-2Pa)中，样品放在石英管的一端。把石英管放在水平的放置的熔炉(furnace tube：Ф5cm×30cm)中，使样品置于炉子的中间在650℃下加热5小时。制备的其他条件同实施例1。同样也得到尺寸和形态类似实施例1A的产品.
将得到的ZrS3纳米带如实施例1的B，但加热温度改变为820℃，加热50分钟，其它条件不变，得到得到尺寸和形态类似实施例1B的ZrS2纳米带。

Claims (5)

1.一种ZrS3纳米带，其特征是：它为单斜晶系的、厚度为40-160nm、宽度为80-1500nm、长度为几十微米的ZrS3纳米带。
2.一种ZrS2纳米带，其特征是：它是权利要求1所述的ZrS3纳米带在真空热解得到的、为六方晶系的ZrS2纳米带，是厚度为40-160nm、宽度为80-1500nm、长度为几十微米的ZrS2纳米带。
3.一种制备权利要求1所述的ZrS3纳米带的方法，其特征是：它是将锆片与硫粉放入石英管中，抽真空至内剩压力100Pa以下，将石英管烧密封，把石英管放在水平放置的管状熔炉中，使样品置于炉子的中间在500-700℃下加热2-10小时，即在锆片表面生长出上述的单斜晶系的ZrS3纳米带。
4.一种制备权利要求2所述的ZrS2纳米带的方法，其特征是：它是将权利要求3制备得到的生长了ZrS3纳米带的锆片冷却至室温后，再把它放入石英管的一端，抽真空至内剩压力10-2Pa以下，将石英管烧密封后，将石英管放入管状熔炉中间，使放有锆片的石英管一端放在管状熔炉的中央，石英管的另一端伸出管状熔炉外，在750-850℃下加热10-90分钟，锆片上的ZrS3纳米带即热解成ZrS2纳米带。
5.根据权利要求4所述的制备ZrS2纳米带的方法，其特征是：为了防止在加热过程中空气进入石英管内，在石英管外、炉管内通入氩气。
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