CN108374199B - 一种多孔GeS单晶纳米片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多孔GeS单晶纳米片及其制备方法，包括以下步骤：(1)对衬底进行预处理，然后将衬底置于管式炉中；(2)将装有GeS粉末的石英舟置于石英管中心，然后抽真空，并用氩气冲洗2～3次，通入氩气，直至压强保持在20～40Torr；(3)升温，待温度达到后，开始沉积，沉积结束后，自然冷却至室温，得多孔GeS单晶纳米片；其中，升温过程、沉积过程和自然冷却过程中均以10～30sccm的速率通入氩气，但升温过程和自然冷却过程中通入的氩气方向与沉积过程方向相反。本发明方法降低了生产成本和制备难度，制备得到的多孔GeS单晶纳米片可用于制备大储能的Li电池。

Description

一种多孔GeS单晶纳米片及其制备方法
技术领域
本发明属于光电子材料及器件领域，具体涉及一种多孔GeS单晶纳米片及其制备方法。
背景技术
现今，电池已经成为人们生活中不可缺少的能量储存器件，从手机、数码照相机、笔记本电脑到动力汽车，电池无处不在。伴随着技术革命、芯片时代的到来，人们对各种新型电池的需求也与日俱增。但是，近些年来相对于科学技术其它领域的发展来说，电池却没有取得明显的进步。
在技术产业界，电池经常被视为是电子产品中最重、最昂贵、最不环保也最易引起安全问题的重要部件。在评判电池的性能指标中，容量往往是最直观也是我们最关心的一项，而提高电池中储能材料的储能性能是提高电池容量的关键技术。
其中，多孔材料因其具有低的相对密度、高孔隙率和高比表面积等特点，被广泛应用于储能领域，因此如何制备多孔、高比表面积的材料成了科研工作人员研究的一个热门课题。而多孔材料的制备方法很大程度上决定了其孔结构、比表面积、力学性能等特性，从而决定了多孔材料的综合性能。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供一种多孔GeS单晶纳米片及其制备方法，可制备得到一种具有高的比表面积的多孔结构，且工艺简洁、成本低廉。
为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种多孔GeS单晶纳米片的制备方法，包括以下步骤：
(1)对衬底进行预处理，然后将衬底置于管式炉中；
(2)将装有GeS粉末的石英舟置于石英管中心，然后抽真空至本底真空度为80～100mTorr，并用氩气冲洗2～3次，然后以10～30sccm的速率通入氩气，直至压强保持在20～40Torr；
(3)待压强达到20～40Torr后，以50～60℃/min的速率升温，使GeS粉末的温度上升至400～500℃，同时，基片的沉积温度达到290～330℃时，沉积1～10min，沉积结束后，自然冷却至室温，得多孔GeS单晶纳米片；其中，升温过程、沉积过程和自然冷却过程中均以10～30sccm的速率通入氩气，但升温过程和自然冷却过程中通入的氩气方向与沉积过程方向相反。
进一步地，步骤(1)中衬底材质为耐高温材料。
进一步地，衬底为氧化硅、硅片、蓝宝石片或石英玻璃。
进一步地，步骤(1)中预处理过程为：将衬底依次置于丙酮和异丙醇中进行超声清洁，再用氮气吹干。
进一步地，步骤(3)中升温速率为50℃/min。
采用上述方法制备得到的多孔GeS单晶纳米片。
本发明的有益效果为：
1、本发明提供的GeS单晶纳米片的制备方法，可以生成一种多孔的GeS单晶纳米片，其呈现出一种有序的多层的多孔结构，从而大大的增大GeS的比表面积，有序的结构更容易被制作成阵列，这更有利于Li+离子在GeS材料中的传导，是Li+离子的良好载体。
2、本发明中可以通过调节基片的位置，改变GeS的沉积温度，从而调节GeS单晶纳米片的表面形貌，从而得到不同比表面积的GeS单晶纳米片。
3、本发明方法降低了生产成本和制备难度，而且GeS是一种半导体，这种结构可以彻底颠覆传统电池设计，以独特的表面结构存储能量，可作为一种理想的能量存储材料，可用于制备大储能的Li电池。
4、通过在升温过程和自然冷却过程中通入与沉积过程方向相反的氩气，可有效避免GeS粉末在温度未达标时进行沉积，以保证制备得到的多孔GeS单晶纳米片的结构的完整性，以保证其质量。
5、GeS粉末的温度使其可以在此温度下升华并沉积到基片上，基片的温度保证了GeS蒸汽可以在基片上结晶，管式炉中的压强保证了在此压强下GeS可以在基片表面很好的结晶，形成有序的多孔状结构；沉积时间太短GeS无法在基片表面成膜，沉积时间太长GeS会在基片表面沉积成表面平滑的晶体，由此，通过本发明方法设计的温度、压强和沉积时间，可制备得到多孔GeS单晶纳米片结构。
附图说明
图1为沉积过程中通入气流方向的时间图；
图2a、b、c分别为沉积1min、2min、5min时间的表面形貌图；
图3为多孔GeS单晶纳米片的表面形状图；
图4为沉积过程中只沿同一方向通入氩气的沉积结果的表面形貌图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
实施例1
一种多孔GeS单晶纳米片的制备方法，包括以下步骤：
(1)将厚度为500μm，宽度为3mm的硅片依次置于丙酮和异丙醇中，分别超声清洁5min，然后用高纯度的氮气吹干，再置于管式炉中心下游12～15cm处；
(2)将装有10mgGeS粉末的石英舟置于石英管中心，然后抽真空至100mTorr的本底真空，再用高纯度的氩气体冲洗3次，然后再以30sccm的速率通入氩气体，直至压强保持在40Torr为止；
(3)在石英管中压强稳定后，将管式炉以50℃/min的速率进行升温，在升温过程中，将通入的氩气的气流方向改为反向(即与沉积时的气流方向相反，参考图1)，防止升温过程中GeS粉末进行沉积；
(4)待GeS粉末和基片的沉积温度分别上升至480℃和310℃时，将通入的氩气的气流方向改为正向，然后开始沉积，待5min后，沉积完成；
(5)沉积完成后，将通入的氩气的气流方向改为反向(即与沉积时的气流方向相反)，使沉积停止；
(6)沉积停止后，管式炉停止加热，并使其自然冷却至室温，在冷却至室温的过程中，继续通入反向的氩气(即与沉积时的气流方向相反)，防止GeS继续沉积，制备得到多孔GeS单晶纳米片。
实施例2
一种多孔GeS单晶纳米片的制备方法，包括以下步骤：
(1)将厚度为500μm，宽度为3mm的硅片依次置于丙酮和异丙醇中，分别超声清洁5min，然后用高纯度的氮气吹干，再置于管式炉中心下游12～15cm处；
(2)将装有10mgGeS粉末的石英舟置于石英管中心，然后抽真空至80mTorr的本底真空，再用高纯度的氩气体冲洗3次，然后再以10sccm的速率通入氩气体，直至压强保持在20Torr为止；
(3)在石英管中压强稳定后，将管式炉以60℃/min的速率进行升温，在升温过程中，将通入的氩气的气流方向改为反向(即与沉积时的气流方向相反)，防止升温过程中GeS粉末进行沉积；
(4)待GeS粉末和基片的沉积温度分别上升至500℃和330℃时，将通入的氩气的气流方向改为正向，然后开始沉积，待10min后，沉积完成；
(5)沉积完成后，将通入的氩气的气流方向改为反向(即与沉积时的气流方向相反)，使沉积停止；
(6)沉积停止后，管式炉停止加热，并使其自然冷却至室温，在冷却至室温的过程中，继续通入反向的氩气(即与沉积时的气流方向相反)，防止GeS继续沉积，制备得到多孔GeS单晶纳米片。
实施例3
一种多孔GeS单晶纳米片的制备方法，包括以下步骤：
(1)将厚度为500μm，宽度为3mm的硅片依次置于丙酮和异丙醇中，分别超声清洁5min，然后用高纯度的氮气吹干，再置于管式炉中心下游12～15cm处；
(2)将装有10mgGeS粉末的石英舟置于石英管中心，然后抽真空至90mTorr的本底真空，再用高纯度的氩气体冲洗3次，然后再以15sccm的速率通入氩气体，直至压强保持在22Torr为止；
(3)在石英管中压强稳定后，将管式炉以58℃/min的速率进行升温，在升温过程中，将通入的氩气的气流方向改为反向(即与沉积时的气流方向相反)，防止升温过程中GeS粉末进行沉积；
(4)待GeS粉末和基片的沉积温度分别上升至400℃和290℃时，将通入的氩气的气流方向改为正向，然后开始沉积，待1min后，沉积完成；
(5)沉积完成后，将通入的氩气的气流方向改为反向(即与沉积时的气流方向相反)，使沉积停止；
(6)沉积停止后，管式炉停止加热，并使其自然冷却至室温，在冷却至室温的过程中，继续通入反向的氩气(即与沉积时的气流方向相反)，防止GeS继续沉积，制备得到多孔GeS单晶纳米片。
对比例
与实施例1相比，在升温、沉积和自然冷却至室温过程中，氩气的通入方向始终沿同一方向，其余过程均与实施例1相同。
检测
检测实施例1和对比例沉积过程中以及制备得到的多孔GeS单晶纳米片的表面形貌，其表面形貌分别见图2a、图2b、图2c、图3和图4，由检测结果可知，图2a、图2b、图2c和图3中检测的多孔GeS单晶纳米片的表面形貌均呈有序的多层的多孔结构，其中尤以图3的多孔GeS单晶纳米片效果最佳；而图4中检测的多孔GeS单晶纳米片的表面呈平滑的晶体而不是多孔的单晶纳米片结构。
由此，只有在本发明方法的步骤的参数的配合下，制备得到的多孔GeS单晶纳米片呈现出一种有序的多层的多孔结构，有序的结构更容易被制作成阵列，这更有利于Li+离子在GeS材料中的传导，同时，还具有高的比表面积，可用于制备大储能的锂离子电池。

Claims (2)

1.一种多孔GeS单晶纳米片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将厚度为500μm，宽度为3mm的硅片依次置于丙酮和异丙醇中，分别超声清洁5min，然后用高纯度的氮气吹干，再置于管式炉中心下游12～15cm处；
(2)将装有10mgGeS粉末的石英舟置于石英管中心，然后抽真空至100mTorr的本底真空，再用高纯度的氩气体冲洗3次，然后再以30sccm的速率通入氩气体，直至压强保持在40Torr为止；
(3)在石英管中压强稳定后，将管式炉以50℃/min的速率进行升温，在升温过程中，将通入的氩气的气流方向改为反向，即与沉积时的气流方向相反，防止升温过程中GeS粉末进行沉积；
(4)待GeS粉末和基片的沉积温度分别上升至480℃和310℃时，将通入的氩气的气流方向改为正向，然后开始沉积，待5min后，沉积完成；
(5)沉积完成后，将通入的氩气的气流方向改为反向，即与沉积时的气流方向相反，使沉积停止；
(6)沉积停止后，管式炉停止加热，并使其自然冷却至室温，在冷却至室温的过程中，继续通入反向的氩气，即与沉积时的气流方向相反，防止GeS继续沉积，制备得到多孔GeS单晶纳米片。
2.采用权利要求1所述的方法制备得到的多孔GeS单晶纳米片。
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