CN108611677A - 一种自然图案化单层硒化铜二维原子晶体材料及制备方法 - Google Patents

一种自然图案化单层硒化铜二维原子晶体材料及制备方法 Download PDF

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Abstract

公开了一种自然图案化单层硒化铜二维原子晶体材料及其制备方法。在该方法中，通过在超高真空环境下将高纯度硒原子蒸发沉积到铜单晶基底上，或者将高纯度的硒原子和铜原子共同沉积到其他基底上获得样品，然后将样品升温到生长温度后对样品进行退火处理，从而生成自然图案化单层硒化铜二维原子晶体材料。这种类石墨烯结构的新型二维材料扩充了双组分二维蜂窝状晶体材料的研究领域，具有较高的科研价值和广泛的应用潜力。

Description

一种自然图案化单层硒化铜二维原子晶体材料及制备方法
技术领域
本公开总体上涉及纳米材料技术领域，并且更具体地涉及一种自然图案化单层硒化铜二维原子晶体材料及其制备方法。
背景技术
二维原子晶体材料因其单原子层厚度的平面晶体结构、丰富和独特的物理和化学特性以及其潜在的实际应用价值而成为近年来科技界的研究热点，其中，石墨烯自2004年被成功剥离后成为了新型二维原子晶体材料的焦点和代表。
单原子层厚度的石墨烯具有很多优良特性，例如超高的载流子迁移率、超高的透光率、室温下的量子霍尔效应等，使其在电子学、光学、磁学、生物医学、催化、储能和传感器等领域有巨大的应用潜力，被公认为本世纪的“未来材料”和“革命性材料”。
石墨烯的成功激励人们探索其他类石墨烯二维原子晶体材料。近年来，相继从理论和实验上获得了多种其他新型二维原子晶体材料，例如六方氮化硼、过渡金属二硫属化合物、硅烯、锗烯、铪烯、硼烯、黑磷、锡烯、锑烯等。这些二维材料有着各种各样的电学性质(金属、半金属、半导体和绝缘体)，也呈现了很多优异的物理特性(超导，热电效应，电荷密度波等)，使其在很多方面有巨大的应用前景(自旋电子学，光电子学，化学和生物传感器，超级电容，太阳能电池和锂离子电池等)。
单层二维原子晶体材料，从组成成分上可以分为单组分二维材料和双组分二维材料。截止到目前，双组分单层二维原子晶体的种类较少，已经可以在实验上大面积构筑的只有六方氮化硼(h-BN)，少数几种过渡金属二硫属化合物(TMDCs)。与单组分二维原子晶体材料相比，双组分二维材料由于其可能组成的元素种类较多，所以其会呈现更为复杂组成结构以及更为丰富的物理特性。因此，进一步扩充新型二维原子晶体材料库(尤其是双组分二维材料)显得尤为重要。
发明内容
根据本公开的一个方面，提供了一种自然图案化单层硒化铜二维原子晶体材料的制备方法，该制备方法包括：在超高真空环境下，制备包括高纯度铜及高纯度硒两种元素的样品；以及在将样品升温到生长温度后对样品进行退火处理，以生成自然图案化单层硒化铜二维原子晶体材料。
在一个实施例中，制备包括高纯度铜及高纯度硒两种元素的样品可以包括：将高纯度硒原子及高纯度铜原子共同沉积在基底上。
在一个实施例中，制备包括高纯度铜及高纯度硒两种元素的样品可以包括：将硒原子蒸发至铜金属单晶基底。
在一个实施例中，将硒原子蒸发至铜金属单晶基底可以包括：通过热阻式加热使硒原子蒸发并沉积到铜金属单晶基底上。
在一个实施例中，硒原子的蒸发温度可以为120℃～125℃。
在一个实施例中，硒原子的沉积时间可以为30分钟～40分钟。
在一个实施例中，在硒原子沉积到铜金属单晶基体上时，铜金属单晶基底保持在室温。
在一个实施例中，生长温度可以为100℃～400℃。
在一个实施例中，铜金属单晶基底通过如下方式制备：在超高真空腔内，对铜单晶进行氩离子溅射处理以得到铜基底；对铜基底加热并将温度保持在500℃；以及对铜基底进行高温退火处理。
根据本公开的另一个方面，还提供了一种通过上述制备方法制备的自然图案化单层硒化铜二维原子晶体材料，其中，在二维平面内，铜原子和硒原子以交替形式形成周期性的六角蜂窝状结构，六角蜂窝状结构周期为0.41nm，非蜂窝状结构区域为六角周期性分布的等边三角形的孔洞结构，孔洞结构的周期为3nm，等边三角形的边长为1nm。
在根据本公开的实施例的制备方法中，通过分子束外延方法生长了大面积高质量的自然图案化的单层硒化铜二维原子晶体材料，硒原子和铜原子成六角蜂窝状排布，并且二维材料表面存在独特的高密度、大小均一、排布均匀的三角形孔洞结构。这种类石墨烯结构的新型二维材料扩充了双组分二维蜂窝状晶体材料的研究领域，具有较高的科研价值和广泛的应用潜力。此外，这种自然图案化单层硒化铜二维原子晶体材料的每个孔洞具有规则的边界结构和原子排布，这便于进一步研究自然图案化硒化铜二维原子晶体材料的电子性质及表面功能化。
附图说明
图1示出根据本公开的实施例的制备方法的过程和效果的示意图；
图2示出根据本公开的实施例的自然图案化单层硒化铜二维原子晶体材料的扫描隧道显微镜图像；
图3示出根据本公开的实施例的自然图案化单层硒化铜二维原子晶体材料的扫描隧道显微镜原子分辨图像之一；
图4示出根据本公开的实施例的自然图案化单层硒化铜二维原子晶体材料的扫描隧道显微镜原子分辨图像之二；
图5示出根据本公开的实施例的自然图案化单层硒化铜二维原子晶体材料的低能电子衍射图案；
图6示出根据本公开的实施例的自然图案化单层硒化铜二维原子晶体材料的横截面透射电子显微镜图片；
图7示出根据本公开的实施例的自然图案化单层硒化铜二维原子晶体材料的原子结构模型图；以及
图8示出根据本公开的实施例的自然图案化单层硒化铜二维原子晶体材料的三角形孔洞的形成原理图。
具体实施方式
下面，将参考附图详细地描述根据本公开的示例实施例。在附图中，将相同的附图标记赋予基本上具有相同或类似结构和功能的组成部分，并且将省略关于它们的重复描述。注意，附图可能不是按比例绘制的。
显然，所描述的实施例仅仅是本公开的一部分实施例，而不是本公开的全部实施例。应理解，本公开不局限于这里所描述的示例实施例。
图1示出根据本公开的实施例的用于制备自然图案化单层硒化铜二维原子晶体材料的制备方法，该方法可以包括步骤(1)和步骤(2)。
在步骤(1)中，在超高真空环境下制备样品。样品可以包括铜原子和硒原子，或者可以包括高纯度铜及高纯度硒两种元素。
在一个实施例中，如图1的左侧所示，可以通过将硒原子(例如，高纯度的硒原子)蒸发并沉积到铜单晶基底上来制备样品。在另一个实施例中，也可以通过将高纯度的硒原子和高纯度的铜原子共同沉积到其他基底上来生成样品。
在步骤(2)中，如图1的右侧所示，在对整个样品升温到生长温度后进行退火处理，以使沉积的硒原子与铜原子相互作用并充分扩散形成二维规则有序的周期性膜状结构，从而得到自然图案化单层硒化铜二维原子晶体材料。
在一个实施例中，可以在超高真空腔内对铜单晶进行多次(例如，十几次)氩离子溅射处理，从而得到铜基底。然后，可以将铜基底加热并保持在500℃。然后，可以通过对铜基底进行高温退火来得到干净平整的铜单晶基底，并将所得到的铜单晶基底用作在上述步骤(1)中的铜单晶基底。
在制备完成铜单晶基体后，可以通过热阻式蒸发的方式，使硒原子蒸发并均匀地沉积到铜单晶基底的表面。在此过程中，铜单晶基底可以保持在室温，从而生成样品。
在一个实施例中，热阻式蒸发的蒸发温度可以选择为120℃～125℃。例如，在将热阻式蒸发的蒸发温度选择为125℃的情况下，可以获得较好的沉积效果。在一个实施例中，硒原子的沉积时间可以为30～40分钟。例如，可以将沉积时间设置为30分钟。
在另外的实施例中，也可以通过其他方式生成样品，本公开不限定于此。
然后，可以在将样品加热到生长温度后进行退火处理，从而形成大面积高质量的具有六角密排三角形孔洞的结构。
在一个实施例中，生长温度可以为100℃～400℃。例如，可以将生长温度选择为400℃，从而能够获得较好甚至最优的制备效果。
在另外的实施例中，也可以通过其他方式对样品进行加工，以生成自然图案化单层硒化铜二维原子晶体材料，本公开亦不限定于此。
对于通过本公开的实施例的制备方法制备的自然图案化单层硒化铜二维原子晶体材料，其结构可以通过扫描隧道显微镜来观察。如图2的扫描隧道显微镜图像所示，通过本公开的实施例的制备方法制备的自然图案化单层硒化铜二维原子晶体材料的结构为二维规则有序的结构。
图3示出通过扫描隧道显微镜对该结构的小范围进行原子分辨图像的观察结果，其为六角周期性分布的三角形孔洞结构，其中，三角形孔洞是边长约为1nm的等边三角形，孔洞周期约为3nm。
如图4所示，可以将扫描范围的图像进一步放大，从而获得单个硒化铜三角形孔洞的原子分辨图像，其中，非孔洞区域是六角蜂窝状排布的二维周期性结构，晶格周期约为0.41nm。
图5示出低能电子衍射图案。该图案在宏观尺度上表明，根据本公开的实施例的自然图案化单层硒化铜二维原子晶体材料具有纳米尺度的自然图案化的有序结构，并且具有很高的质量。另外，如图6的横截面透射电子显微镜的观察图像所示，该结构是单层的二维材料，同时存在周期性的孔洞结构。进一步地，如图7所示，这种周期为0.41nm的结构对应于硒原子和铜原子以交替排列的方式形成六角蜂窝状的单层硒化铜二维原子晶体材料。
另外，如图8所示，周期为3nm的三角形孔洞可以对应于因释放晶格应力而周期性地缺失的7个铜原子和6个硒原子。
如上所述，在根据本公开的实施例的制备方法中，通过分子束外延方法生长了大面积高质量的自然图案化的单层硒化铜二维原子晶体材料，硒原子和铜原子成六角蜂窝状排布，并且二维材料表面存在独特的高密度、大小均一、排布均匀的三角形孔洞结构。这种类石墨烯结构的新型二维材料扩充了双组分二维蜂窝状晶体材料的研究领域，具有较高的科研价值和广泛的应用潜力。此外，这种自然图案化单层硒化铜二维原子晶体材料的每个孔洞具有规则的边界结构和原子排布，这便于进一步研究自然图案化硒化铜二维原子晶体材料的电子性质及表面功能化。
以上结合实施例描述了本公开的原理。但是，需要指出的是，在本公开中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本公开的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的细节仅是为了示例的作用和便于理解，而非限制。本公开不局限于必须采用上述细节来实现。
诸如“包括”、“包含”、“具有”等词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，并且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”、“和”指词汇“和/或”，并且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“诸如但不限于”，并且可与其互换使用。
还需要指出的是，在本公开的装置、设备和方法中，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本公开的等效方案。
提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够做出或者使用本公开。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是非常显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本公开的范围。因此，本公开不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此公开的原理和新颖的特征一致的最宽范围。
尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。

Claims (10)

1.一种自然图案化单层硒化铜二维原子晶体材料的制备方法，包括：
在超高真空环境下，制备包括高纯度铜及高纯度硒两种元素的样品；以及
在将所述样品升温到生长温度后对所述样品进行退火处理，以生成自然图案化单层硒化铜二维原子晶体材料。
2.如权利要求1所述的制备方法，其中，制备包括高纯度铜及高纯度硒两种元素的样品包括：
将高纯度硒原子及高纯度铜原子共同沉积在基底上。
3.如权利要求1所述的制备方法，其中，制备包括高纯度铜及高纯度硒两种元素的样品包括：
将硒原子蒸发至铜金属单晶基底。
4.如权利要求3所述的制备方法，其中，将硒原子蒸发至铜金属单晶基底包括：
通过热阻式加热使硒原子蒸发并沉积到所述铜金属单晶基底上。
5.如权利要求4所述的制备方法，其中，所述硒原子的蒸发温度为120℃～125℃。
6.如权利要求4所述的制备方法，其中，所述硒原子的沉积时间为30分钟～40分钟。
7.如权利要求4所述的制备方法，其中，在所述硒原子沉积到所述铜金属单晶基体上时，所述铜金属单晶基底保持在室温。
8.如权利要求3所述的制备方法，其中，所述铜金属单晶基底通过如下方式制备：
在超高真空腔内，对铜单晶进行氩离子溅射处理以得到铜基底；
对所述铜基底加热并将温度保持在500℃；以及
对所述铜基底进行高温退火处理。
9.如权利要求1至8中的任一项所述的制备方法，其中，所述生长温度为100℃～400℃。
10.一种根据权利要求1至9中任一项所述的制备方法制备的自然图案化单层硒化铜二维原子晶体材料，其中，在二维平面内，铜原子和硒原子以交替形式形成周期性的六角蜂窝状结构，所述六角蜂窝状结构的周期为0.41nm，非蜂窝状结构区域为六角周期性分布的等边三角形的孔洞结构，所述孔洞结构的周期为3nm，所述等边三角形的边长为1nm。
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