CN104787733B - 一种二碲化锰纳米颗粒的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于纳米功能材料领域,具体为一种二碲化锰纳米颗粒及其制备方法。本发明首次成功制备出二碲化锰纳米颗粒,通过在碲前驱体中引入强还原剂三乙基硼氢化锂,在油胺和油酸不同表面活性剂作用下,分别得到无晶面缺陷和有晶面缺陷的MnTe2纳米颗粒。锰的碲化物因其特殊的电子结构而具有非常重要的电子、光学和运输性质,它的电子行为在半导体和金属之间变化,也是一类重要的反铁磁性半导体,研究它们的合成可以有助于各种稀磁半导体和磁自旋器件的设计。
Description
技术领域
本发明属于纳米功能材料技术领域,具体涉及一种二碲化锰纳米颗粒的制备方法。
背景技术
很多过渡金属化合物的物理性质都是通过过渡金属电子态定域和离域的相互作用而反映出来的。在过渡金属化合物中,从氧化物、硫化物到硒化物和碲化物,p带逐渐升高接近d和s带,化合物也逐渐从离子特性转变为更加杂化的共价特性[1]。在锰的二元化合物中,带有重硫族原子的锰的碲化物(MnTe和MnTe2)由于其d-p带混合引起的d带变宽,而拥有特殊的电子特性和物理化学性质[2]。不同于其它锰的二元化合物,锰的碲化物既不是金属性的(如MnSb),也不是绝缘体(如MnO、MnS或MnSe),它是一种具有半金属性质的半导体[3],Allen 等人把它归类为一种交叉材料(a crossroads material)[4]。我们知道的MnTe块体材料是六方晶相的,具有NiAs晶体结构。在室温下表现出反铁磁特性,具有较高的尼尔温度转变点,约310~323 K[5,6]。MnTe2具有立方晶相的黄铁矿结构,有文献报道它的块体材料的尼尔转变温度在87 K左右[7,8]。六方相MnTe和立方相MnTe2的晶体结构示意图[9,10] 文献可查。锰的碲化物因其特殊的电子结构而具有非常重要的电子、光学和运输性质,它的电子行为在半导体和金属之间变化,也是一类重要的反铁磁性半导体,研究它们的合成可以有助于各种稀磁半导体[11-13]和磁自旋器件的设计。
文献中报道的MnTe和MnTe2的合成方法很少,很多都是利用高温元素法直接得到MnTe或MnTe2的块体材料[14,15],或者通过电化学沉积法[16-19]或激光脉冲沉积法[20]制备MnTe薄膜材料。由于碲源的缺乏和低活性,以及合成上的困难和局限,近十年内文献中有关锰的碲化物的报道屈指可数。尤其是对于纳米尺度MnTe或MnTe2的合成方法、结构和性质,文献报道居然是一片空白。这应该说是半导体纳米材料中的一个巨大的缺失。我们认为,对MnTe或MnTe2纳米材料的研究是一个非常紧迫且非常具有挑战性的课题。本发明首次成功制备出二碲化锰纳米颗粒。通过在碲前驱体中引入强还原剂三乙基硼氢化锂,在油胺和油酸不同表面活性剂作用下,分别得到无晶面缺陷和有晶面缺陷的MnTe2纳米颗粒,并深入研究了还原剂、反应温度、表面活性剂、锰碲前驱体用量比等实验条件对产物晶相、形貌和微结构的影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有特殊电子光学和磁学性质的二碲化锰纳米颗粒及其制备方法。
本发明提供的二碲化锰(MnTe2)纳米颗粒,是通过油胺和油酸不同表面活性剂和不同锰前驱体的共同作用,分别合成得到的无晶面缺陷和有晶面缺陷的MnTe2纳米颗粒,该MnTe2纳米颗粒材料随着还原剂、反应温度、表面活性剂、锰碲前驱体用量比等实验条件的改变,具有不同的晶相、形貌和微结构。
本发明的MnTe2纳米颗粒材料具有特殊的电子结构,其电子行为在半导体和金属之间变化,是一类重要的金属性反铁磁性半导体,在稀磁半导体和磁自旋器件等领域有巨大的应用潜力。
本发明提供的上述二碲化锰纳米颗粒的制备方法,具体步骤为:
(1)三辛基膦碲(TOPTe)溶液的制备:
首先,将5±1 mmol的碲珠(Te)和5±1 mL三辛基膦(TOP)加入到容量为25 mL的三口烧瓶中,在真空条件下加热到100±5 ℃,维持30±10 min;然后,在氮气保护下加热至200±20 ℃,2±0.5 h后碲完全溶解在三辛基膦中,形成黄色透明三辛基膦碲(TOPTe)溶液;降至室温,在真空条件下保存,备用;
(2)MnTe2纳米颗粒的制备
(2.1)无晶面缺陷MnTe2纳米颗粒的制备
将38±1 mg的无水氯化锰、1±0.2 mL油胺、4±0.5 mL十八烯加入到容量为50 mL的三口烧瓶中,利用无水无氧操作技术(standard Schlenk line),加热到100±10 ℃,抽真空70±10 min,除去多余的水分等微量易挥发溶剂;之后,在氮气的保护下以每分钟15~20 ℃的速率升温至300±5 ℃,得到锰前驱体的高温溶液;同时,取出0.6±0.3 mL三辛基膦碲(TOPTe)溶液,加入0.5±0.05 mL超氢化物溶液和2±0.1 mL油胺,形成深紫色的碲前驱体溶液;将该碲前驱体溶液迅速注射到锰前驱体的高温溶液中,反应液由透明浅黄色立刻变为黑色;反应25~35 min,然后立刻移走加热套,将反应液迅速降至室温,加入5±2 mL正己烷和同等体积的丙酮溶剂进行沉淀;产物用无水乙醇溶剂多次,离心洗涤后分散在正己烷中保存。
(2.2)有晶面缺陷MnTe2纳米颗粒的制备:
将52±1 mg的四水合醋酸锰、1±0.2 mL油酸、4±0.5 mL十八烯加入到容量为50mL的三口烧瓶中,利用无水无氧操作技术(standard Schlenk line),加热到100±5 ℃,抽真空70±10 min,除去多余的水分等微量易挥发溶剂;之后,在氮气的保护下以每分钟15~20 ℃的速率升温至300±5 ℃,得到锰前驱体的高温溶液;同时,取出0.1±0.01 mL的TOPTe溶液,加入0.5±0.05 mL超氢化物溶液和2±0.1 mL油胺,形成深紫色的碲前驱体溶液;将该碲前驱体溶液迅速注射到锰前驱体的高温溶液中,反应液由透明浅黄色立刻变为黑色,反应25~35 min,然后,立刻移走加热套,将反应液迅速降至室温,加入5±2 mL正己烷和同等体积的丙酮溶剂进行沉淀;产物用无水乙醇溶剂多次,离心洗涤后分散在正己烷中保存。
由上述方法制备的MnTe2材料是具有纳米尺度的球状颗粒,有很好的单分散性,颗粒大小均一,尺寸在10~50 nm。通过油胺和油酸不同表面活性剂和不同锰前驱体的共同作用,可以分别制备得到无晶面缺陷和有晶面缺陷的MnTe2纳米颗粒。
图1中,(a)-(c)图反映了合成的无晶面缺陷MnTe2纳米颗粒的微观结构。从图(a)和(b)透射电镜(TEM)照片中可以看出,MnTe2纳米颗粒呈球形或近似六边形结构,大小比较均一,呈单分散。纳米颗粒的直径约在30~50 nm。图(c)的高分辨透射电镜(HTEM)照片中显示的晶面间距d为2.08 Å,对应于立方相黄铁矿MnTe2晶体的(311)晶面。
图2显示了所合成的无晶面缺陷MnTe2纳米颗粒的晶相信息,图中的XRD衍射峰可被指认为是立方相黄铁矿MnTe2,晶格常数为a = 6.95 Å,对应的PDF卡片编号为JCPDS 18-0813。且晶相较纯,结晶性较高。这与图1中的TEM晶格的分析结果是一致的。该结果也验证了MnTe2材料的成功合成。
保持其它实验条件不变,当前驱体碲的用量是锰的三倍时,产物的物像没有发生变化,还是立方相的MnTe2,但其形状和尺寸发生了明显变化,如图3(a)所示。产物由球形变为立方块,而且几乎都呈现出截角立方块形状。颗粒尺寸也由几十纳米增加到了上百纳米。由图3(b)中的HRTEM结果分析发现,MnTe2立方块是沿着[200]方向生长的,对应的晶面间距d为3.48 Å。在纳米晶体的制备过程中,前驱体溶液中各种单体的比例及存在形式对纳米晶生长至关重要,我们可以通过改变前驱体投料比来得到高质量的目标样品。在该反应体系中,增加碲前驱体的用量至锰前驱体的3倍时,合成的MnTe2纳米晶产物的生长速率和晶面生长方向有了很大改变。在纳米晶生长过程中,TOPTe一方面为纳米晶的生长提供单体,另一方面在纳米晶表面形成钝化层,大量包覆在纳米晶的表面,使纳米晶的生长速率加快,尺寸变大,且纳米晶生长过程不易产生晶面缺陷。
将锰源由氯化锰替换成醋酸锰,锰前驱体溶液中的表面活性剂油胺替换成油酸,其它反应条件不变,得到产物的形貌、尺寸和结构又发生了很大变化。图4中,(a)-(d)图是MnTe2产物的基本形貌图片。由图4(a)中的TEM照片可以看出,产物颗粒呈现出不太规则的类球状,有较好的单分散性,颗粒大小均一,在10~20 nm之间。从低倍TEM照片上就可以明显看出绝大部分颗粒都有晶体缺陷结构。图4(b)-(d)是几种典型的有晶面缺陷MnTe2纳米颗粒的高倍TEM照片。有的产生了周期性的孪晶(图b),有的产生了周期性的层错(图c和d),不过大部分颗粒的形貌和结构都是类似于(d)图中的样品,在晶面的中间位置产生了像是“拉链状”的缺陷。
图5与图2中无缺陷MnTe2纳米颗粒的XRD图谱基本一样,这说明两种产物同属于立方相黄铁矿MnTe2,且晶相较纯,结晶性较高。
我们选择了在绝大部分MnTe2纳米颗粒生长过程中都出现的一种典型的晶体缺陷进行了详细的分析,如图6(a)-(e)所示。图6(b)中的高分辨TEM照片中显示的晶面间距分别对应于立方相黄铁矿MnTe2晶体的(001)和(021)晶面。通过图6(b)插图中的选区电子衍射(SAED)可以说明材料的单晶特性,并可以进一步指认MnTe2纳米颗粒的立方晶相,且沿着[001]晶面生长方向生长。我们通过高分辨TEM照片以及原子级分辨率的电子能量损失谱来精确搭建MnTe2晶面缺陷原子模型,详细研究了MnTe2纳米晶的结构缺陷。图6(c)是6(d)图中Mn和Te原子对应的能量损失谱(EELS),分别对应的是Mn L2,3-edge信号和Te M4,5-edge信号,用原子级分辨的EELS确定了原子排列顺序之后,根据缺陷部分的HRTEM照片(图6d),就可以建立相应的原子模型。通过图6(e)我们发现,在MnTe2纳米晶的生长过程中出现了两种类型的晶面缺陷:周期性的层错和孪晶。在该反应体系条件下,在晶体生长过程中易出现结构缺陷,而且缺陷区域一般都具有较高的活性,更容易沿着[001]方向生长。
图7(a)-(d)反映了不同反应温度下得到产物的TEM照片。由图7(a)和(c)可以清楚看到,当注射温度由300 ℃降低到270 ℃,MnTe2产物形貌从较均一的球状颗粒变成更加不规则的几何形状,大多数颗粒为近似菱形,且在晶面的中间也易产生周期性层错。产物的单分散性变差,颗粒大小约在10~40 nm之间。继续降低反应温度到240 ℃(图7b和7d),MnTe2产物形貌依旧不规则,尺寸变得更小,约10 nm左右。在TEM观察下,有很多颗粒并没有发现晶体缺陷。根据这些实验现象,我们认为,MnTe2纳米颗粒的晶面缺陷是由热力学因素引起的,即热缺陷[21-23]。在该反应体系中,由于高温下油酸、三辛基膦和油胺的相互作用,反应过程非常激烈,频繁出现爆沸现象,使得晶体生长过程中原子(或离子)的热运动加剧,由于靠近表面层的离子脱离平衡位置到新的晶面后产生空位,然后,内部邻近的离子再进入这个空位,这样逐步进行而造成缺陷。且热缺陷的数量与温度有关,温度愈高,造成缺陷的机会愈多。
附图说明
图1为无晶面缺陷MnTe2纳米颗粒的微结构信息。其中,a为低倍透射电镜照片;b为高倍透射电镜照片;c为高分辨透射电镜照片。
图2为无晶面缺陷MnTe2纳米颗粒的X-射线衍射谱图。
图3为改变锰碲投料比为1:3时得到MnTe2产物的透射电镜照片。其中,a是低倍透射电镜照片;b是高分辨透射电镜照片。
图4为有晶面缺陷MnTe2纳米颗粒的微结构信息。其中a为透射电镜照片;b、c、d分别为几种典型有晶面缺陷MnTe2纳米颗粒的高倍透射电镜照片。
图5为有晶面缺陷MnTe2纳米颗粒的X-射线衍射谱图。
图6详细研究和分析了有晶面缺陷MnTe2纳米颗粒的晶面缺陷。其中,a是典型的有缺陷MnTe2纳米晶的透射电镜照片;b是图a中标记的方框区域的放大高分辨透射电镜照片;c是能量损失谱中获得的Mn L2,3和Se M4,5 edges信号,分别对应于图d中的Mn和Te原子;d为晶面缺陷部分的放大高分辨透射照片;图e是图d对应的原子模型和晶格缺陷结构,蓝色是层错结构,红色是孪晶结构。
图7是不同反应温度条件下形成的有晶面缺陷 MnTe2纳米颗粒的低倍和高倍透射电镜照片,其中,a和c为270 ℃;b和d为240 ℃。
具体实施方式
MnTe2纳米颗粒是通过高温分解法制得:
(1)无晶面缺陷MnTe2纳米颗粒的制备:
首先将5 mmol的碲珠(Te)和5 mL三辛基膦(TOP)加入到25 mL三口烧瓶中,在真空条件下加热到100 ℃维持30 min,然后氮气的保护下加热至200 ℃,2h后碲完全溶解在三辛基膦中,形成黄色透明溶液三辛基膦碲(TOPTe),降至室温后,在真空条件下保存,便于之后使用。
将37.8 mg的无水氯化锰、1 mL油胺、4 mL十八烯加入到容量为50 mL的三口烧瓶中,利用真空线操作技术,加热到100 ℃,抽真空60 min,出去多余的水分等微量易挥发溶剂。之后,在氮气的保护下以每分钟15~20 ℃的速率升温至300 ℃。同时,取出0.3 mL的TOPTe溶液,加入0.5 mL的超氢化物溶液和2 mL油胺,形成深紫色的碲前驱体溶液。将该溶液迅速注射到锰前驱体的高温溶液中,反应液由透明浅黄色立刻变为黑色。反应25~35 min后,立刻移走加热套,将反应液迅速降至室温,加入5 mL正己烷和5 mL丙酮沉淀。产物用无水乙醇溶剂多次离心洗涤后分散在正己烷中保存。
(2)无晶面缺陷MnTe2纳米块的制备:
首先将5 mmol的碲珠(Te)和5 mL三辛基膦(TOP)加入到25 mL三口烧瓶中,在真空条件下加热到100 ℃维持30 min,然后氮气的保护下加热至200 ℃,2h后碲完全溶解在三辛基膦中,形成黄色透明溶液三辛基膦碲(TOPTe),降至室温后,在真空条件下保存,便于之后使用。
将37.8 mg的无水氯化锰、1 mL油胺、4 mL十八烯加入到容量为50 mL的三口烧瓶中,利用真空线操作技术,加热到100 ℃,抽真空80 min,出去多余的水分等微量易挥发溶剂。之后,在氮气的保护下以每分钟15~20 ℃的速率升温至300 ℃。同时,取出0.9 mL的TOPTe溶液,加入0.5 mL的超氢化物溶液和2 mL油胺,形成深紫色的碲前驱体溶液。将该溶液迅速注射到锰前驱体的高温溶液中,反应液由透明浅黄色立刻变为黑色。反应25~35 min后,立刻移走加热套,将反应液迅速降至室温,加入5 mL正己烷和5 mL丙酮沉淀。产物用无水乙醇溶剂多次离心洗涤后分散在正己烷中保存。
(3)有晶面缺陷MnTe2纳米颗粒的制备:
将52±2 mg的四水合醋酸锰、1 mL油酸、4 mL十八烯加入到容量为50 mL的三口烧瓶中,利用真空线操作技术,加热到100 ℃,抽真空70 min,出去多余的水分等微量易挥发溶剂。之后,在氮气的保护下以每分钟15~20 ℃的速率升温至300 ℃。同时,取出0.1 mL的TOPTe溶液,加入0.5 mL的超氢化物溶液和2 mL油胺,形成深紫色的碲前驱体溶液。将该溶液迅速注射到锰前驱体的高温溶液中,反应液由透明浅黄色立刻变为黑色。反应25~35 min后,立刻移走加热套,将反应液迅速降至室温,加入5 mL正己烷和5 mL丙酮沉淀。产物用无水乙醇溶剂多次离心洗涤后分散在正己烷中保存。
MnTe2纳米材料的高分辨照片(HRTEM)、选区电子衍射(SAED)、能量损失谱(EELS)以及微结构信息是通过透射电子电镜(TEM, JEOL JEM-2100F operated at 200 kV)来表征的,透射电镜的样品的制备是将材料的粉末分散于乙醇溶剂当中,形成透明的胶体分散液,以负载了碳膜的铜网挂取分散液,干燥后直接用于观察。X-衍射光谱是通过X射线衍射仪(XRD,D8 Advance,德国Bruker公司)对样品进行物相分析,以Cu靶Kα辐射(λ为l.54056×10-10 m),管电流40 mA,管电压40 kV,扫描速度2°min-1,扫描范围10°-80°。
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Claims (2)
1.一种二碲化锰纳米颗粒的制备方法,其特征在于具体步骤为:
(1)三辛基膦碲溶液的制备:
首先,将5±1 mmol的碲珠和5±1 mL三辛基膦加入到三口烧瓶中,在真空条件下加热到100±5 ℃,维持30±10 min;然后,在氮气保护下加热至200±20 ℃,2±0.5 h后碲完全溶解在三辛基膦中,形成黄色透明三辛基膦碲溶液;降至室温,在真空条件下保存,备用;
(2)MnTe2纳米颗粒的制备
(2.1)无晶面缺陷MnTe2纳米颗粒的制备
将38±1 mg的无水氯化锰、1±0.2 mL油胺、4±0.5 mL十八烯加入到三口烧瓶中,利用无水无氧操作技术,加热到100±10 ℃,抽真空70±10 min,除去多余的水分等微量易挥发溶剂;之后,在氮气的保护下以每分钟15~20 ℃的速率升温至300±5 ℃,得到锰前驱体的高温溶液;同时,取出0.6±0.3 mL三辛基膦碲溶液,加入0.5±0.05 mL超氢化物溶液和2±0.1 mL油胺,形成深紫色的碲前驱体溶液;将该碲前驱体溶液迅速注射到锰前驱体的高温溶液中,反应液由透明浅黄色立刻变为黑色;反应25~35 min,然后移走加热套,将反应液迅速降至室温,加入5±2 mL正己烷和同等体积的丙酮溶剂进行沉淀;产物用无水乙醇溶剂多次离心洗涤后分散在正己烷中保存;
(2.2)有晶面缺陷MnTe2纳米颗粒的制备:
将52±1 mg的四水合醋酸锰、1±0.2 mL油酸、4±0.5 mL十八烯加入到三口烧瓶中,利用无水无氧操作技术,加热到100±5 ℃,抽真空70±10 min,除去多余的水分等微量易挥发溶剂;之后,在氮气的保护下以每分钟15~20 ℃的速率升温至300±5 ℃,得到锰前驱体的高温溶液;同时,取出0.1±0.01 mL的TOPTe溶液,加入0.5±0.05 mL超氢化物溶液和2±0.1 mL油胺,形成深紫色的碲前驱体溶液;将该碲前驱体溶液迅速注射到锰前驱体的高温溶液中,反应液由透明浅黄色立刻变为黑色,反应25~35 min,然后移走加热套,将反应液迅速降至室温,加入5±2 mL正己烷和同等体积的丙酮溶剂进行沉淀;产物用无水乙醇溶剂多次离心洗涤后分散在正己烷中保存。
2.由权利要求1所述制备方法制备得到的二碲化锰纳米颗粒,具有良好的单分散性,颗粒大小均一,尺寸在10~50 nm。
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