CN109650354A - 一种二维碲化铅纳米片的制备方法、应用和一种纳米材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及纳米材料技术领域，具体是一种二维碲化铅纳米片的制备方法、应用和一种纳米材料。其中，所述方法包括：称取用于二维碲化铅纳米片生长的反应原料；将具有原子级平滑度表面的片状材料作为生长衬底；在保护气体的气流中，程序升温后，恒温加热所述反应原料进行气相沉积；沉积过程结束后使所述衬底骤冷，即在所述衬底上得到所述二维碲化铅纳米片。该纳米片的厚度为5nm‑200nm，宽度或长度为0.1‑70μm，具有单晶结构。且该纳米片为面心立方晶体结构，其暴露晶面为{100}晶面族，具有片状矩形形貌。本发明通过范德华外延生长技术能够获得大面积、超薄、取向及形貌均一且高结晶度的二维碲化铅纳米片，能够应用于红外光光电探测器等领域。

Description

一种二维碲化铅纳米片的制备方法、应用和一种纳米材料
技术领域
本发明涉及纳米材料技术领域，特别涉及一种二维碲化铅纳米片的制备方法、应用和一种纳米材料。
背景技术
自2004年Novoselov等人发现石墨烯以来，二维材料受到了人们广泛的关注，作为第一代二维材料，石墨烯表现出优异的特性，例如，石墨烯的强度可达130GPa(Lee C,WeiX,Kysar J W,et al.Measurement of the elastic properties and intrinsicstrength of monolayer[J].Science,2008,321(5887),385)，室温下电子迁移率高达15000cm2/(V·s)等(Geim A K,Novoselov K S.The rise of graphene[J].Nat Mater,2007,6(3),183)。但石墨烯缺乏带隙，对光的吸收能力差，开关比低，无法实现半导体的逻辑开关，难以应用于半导体工业。过渡金属硫族化物克服了石墨烯零带隙的缺点，但其载流子迁移率较低，限制了它的进一步应用。
二维Ⅳ-Ⅵ族半导体材料具有丰富的层状晶体结构以及载流子类型，同时还具有低成本、元素储量丰富、对环境友好等重要优点，因而在近些年迅速引起科研工作者的兴趣。作为二维Ⅳ-Ⅵ族的重要成员，碲化铅(PbTe)为直接带隙半导体材料(带隙为0.32eV)，具有材料均匀稳定、低俄歇复合率、电子和空穴的有效质量小、电子迁移率高、载流子寿命长、光吸收系数高、发热功率低，具有对称的能带结构，以及缺失重空穴带等优点(Wei S H,Zunger A,et al.Electronic and structural anomalies in lead chalcogenides[J].Phys.Rev.B,1997,55,13605-13610；Allgaier R S,Scanlon W W,et al.Mobility ofElectrons and Holes in PbS,PbSe,and PbTe between Room Temperature and4.2K.Physical Review[J].Phys.Rev.1958,111(4),1029-1037；Springholz G,Ueta A Y,et al.Spiral growth and threading dislocations for molecular beam epitaxy ofPbTe on BaF2(111)studied by scanning tunneling microscopy[J].Appl.Phys.Lett.1996,69(19),2822-2824；Dalven k,Ehrenreich H,et al.Solid StatePhysics[M].New York:Academic Press,1973,28:179；Schoolar R B,et al.Opticalproperties of tin telluride in the visible and infrared regions[J].Phys.Rev.A,1965,140,119-124)，是制备中红外激光器和探测器的理想材料。其制备的中红外激光器激射波长可以在3～30μm范围调制，具有极高的分辨率(小于10-4cm-1)，在微量气体测量如大气污染监测、示踪气体分析、同位素分析以及化工厂和炼钢厂的在线过程控制等方面有着重要应用(Gong X X,Fei G T,et al.Metal-semiconductor-metalinfrared photodetector based on PbTe nanowires with fast response andrecovery time[J].Appl.Sur.Sci.2017,404,7-11；Yasuda A,Suto K,et al.Mid-infrared photoconductive properties of heavily Bi-doped PbTe p–n homojunctiondiode grown by liquid-phase epitaxy[J].Infrared Physics&Technology 2014,67,609-612；De Castro S,Soares D A W,et al.Room temperature persistentphotoconductivity in p-PbTe and p-PbTe:BaF2[J].Appl.Phys.Lett.2014,105(16),162105；Vincent J D,et al.Fundamentals of infrared and visible detectoroperation and testing[M].New York:John Wiley&Sons,2015:3-149)。
与石墨烯不同的是，二维PbTe是一种非层状二维材料。非层状二维材料不仅具有传统二维材料易于集成等优点，还具有表面化学活性高、存在表面悬挂键等优点，在催化、传感和载流子传输等方面具有更广阔的应用。与传统三维PbTe薄膜相比，非层状二维PbTe纳米片不仅具有高的载流子迁移率、窄带隙等与体材一致的优点，由于量子限域效应的存在还具有新颖有趣的物理性能，并大大增加了其与传统硅工艺的兼容性，使得PbTe这一传统的材料焕发新的生命光彩。在微观结构上，PbTe属于立方晶系，其最常见的晶体结构为岩盐结构，主要的生长取向包括<111>和<100>，其中沿<111>取向生长的薄膜表面主要由三角塔状或三角坑状构成，该取向不利于PbTe二维结构形成，<100>生长取向更有利于PbTe二维结构的形成及其在电子器件中的应用。
此外，传统的PbTe薄膜制备工艺主要有化学浴沉积、分子束外延、真空蒸发沉积等技术，但上述制备工艺具有价格高昂、得到的薄膜较厚、与微电子器件工艺兼容性差等缺点(Wu H F,Chen Yao,et al.Molecular Beam Epitaxy Growth and Surface StructuralCharacteristics of PbTe(111)Thin Film[J].Acta Phys.-Chim.Sin.2017,33(2),419－425)，这些不利因素限制了PbTe在红外光电子方面的应用。
综上，如何将岩盐结构的PbTe制备成原子层状二维结构成为了亟待解决的问题。需要一种价格低廉，可控性强，操作简单，可重复制备二维PdTe单晶纳米片的方法。
发明内容
针对现有技术的上述问题，本发明利用范德华外延生长技术，采用一种操作简单、成本低廉的制备方法，可控合成了一种二维碲化铅纳米片。
为了解决上述问题，本发明提供一种二维碲化铅纳米片的制备方法、应用和一种纳米材料，具体技术方案如下：
第一方面，一种纳米材料，包括二维碲化铅纳米片，所述二维碲化铅纳米片为单晶结构。
第二方面，本发明提供一种二维碲化铅纳米片的制备方法，包括：称取用于二维碲化铅纳米片生长的反应原料；将具有原子级平滑度表面的片状材料作为生长衬底；在保护气体的气流中，程序升温后，恒温加热所述反应原料进行气相沉积；沉积过程结束后使所述衬底骤冷，即在所述衬底上得到所述二维碲化铅纳米片；所述反应原料包括碲化铅粉末、碲化铅块体、碲单质、含碲化合物、铅单质和/或含铅化合物；所述反应原料和所述衬底沿所述保护气体的气流方向依次放置。
第三方面，本发明提供一种红外光探测器，包括红外传感单元，所述红外传感单元包括上述纳米材料或所述方法制备的二维碲化铅纳米片。
第四方面，本发明提供一种储能装置，包括电极，所述电极包括上述纳米材料或所述方法制备的二维碲化铅纳米片，所述储能装置包括太阳能电池或同位素电池。
第五方面，本发明提供一种场效应晶体管，包括电极，所述电极包括上述纳米材料或所述方法制备的二维碲化铅纳米片。
第六方面，本发明提供一种催化系统，包括光电催化剂，所述光电催化剂包括上述纳米材料或所述方法制备的二维碲化铅纳米片。
由于上述技术方案，本发明具有以下有益效果：
本发明利用范德华外延生长技术可控制备了大面积、超薄的单晶非层状二维PbTe纳米片。该制备方法原料价格低廉，生产设备成本低，操作简单，可行性高，可重复性强，且制得的二维纳米片具有表面粗糙度低，面积大，厚度低，光电性能良好等优点，与传统硅工艺具有良好的兼容性，有利于进行微纳加工。并且易于转移至其他衬底，便于大规模光电器件的研发和应用。
通过调节沉积过程时间、温度、保护器流速等生长参数能够调控碲化铅单晶纳米片的尺寸、生长密度和厚度等，可适用于不同的应用需求。
本发明的二维PbTe纳米片具有非层状单晶结构，存在表面悬挂键，具有表面化学活性高的优点。
本发明的碲化铅纳米片的生长周期短，易于批量生产，满足实际应用中的产业化需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1：本发明实施例提供的一组具有不同生长时间的PbTe纳米片的显微镜图像；
图2：本发明实施例提供的一组具有不同保护气体流速的PbTe纳米片的显微镜图像；
图3：本发明实施例提供的在其它生长参数相同的条件下，利用自然冷却方式和骤冷方式得到的产物的形貌图；
图4：本发明实施例提供的二维PbTe纳米片的生长装置示意图；
图5：本发明一个实施例提供的单晶PbTe纳米片的显微镜图像(图5a)和能量色散X射线光谱(EDX)(图5b)；
图6：本发明一个实施例提供的单个PbTe纳米片的原子力显微镜(AFM)图片；
图7：本发明一个实施例提供的PbTe纳米片的拉曼光谱；
图8：本发明一个实施例提供的PbTe纳米片的透射电镜(TEM)明场像(图8a)，高分辨透射电镜图像(图8b)，以及选区电子衍射(SAED)图片(图8c)；
图9：本发明一个实施例提供的PbTe纳米片的显微镜图像(图9a)，SAED(图9b)和AFM(图9c)；
图10：图9中SAED(图9b)的数据分析截图；
图11：本发明一个实施例提供的PbTe纳米片的显微镜图像(图11a)和SEM图像(图11b)；
图12：本发明一个实施例提供的PbTe纳米片SEM图像；
图13：本发明一个实施例提供的以石墨烯为衬底的生长过程前(图13a)和后(图13b)的显微镜图像；
图14-16本说明书实施例提供的基于二维碲化铅纳米片光电器件的光电测试结果。
图中：1-炉内磁体，2-炉外磁体，3-耐高温容器，4-衬底，5-出气口，6-进气口。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
对于以下定义的术语，除非在权利要求书或本说明书中的其他地方给出一个不同的定义，否则应当应用这些定义。所有数值无论是否被明确指示，在此均被定义为由术语“约”修饰。术语“约”大体上是指一个数值范围，本领域的普通技术人员将该数值范围视为等同于所陈述的值以产生实质上相同的性质、功能、结果等。由一个低值和一个高值指示的一个数值范围被定义为包括该数值范围内包括的所有数值以及该数值范围内包括的所有子范围。
本说明书提供一种制备二维碲化铅(PbTe)纳米片的生长系统，所述生长系统可以至少包括抽真空装置、生长装置和载气装置。
具体地，所述抽真空装置可以包括但不限于真空泵，所述生长装置可以包括但不限于管式炉，所述载气装置可以包括但不限于混合惰性气体瓶，如装有Ar/H2混合气的高压钢瓶，或者包括两个或两个以上的氢气和/或纯惰性气体瓶，如氩气高压钢瓶和氢气高压钢瓶。
以下介绍本发明基于上述生长系统的二维碲化铅纳米片的制备方法，包括：
1)称取用于二维碲化铅纳米片生长的反应原料；
2)将具有原子级平滑度表面的片状材料作为生长衬底；
3)在保护气体的气流中，程序升温后，恒温加热所述反应原料进行气相沉积；
4)沉积过程结束后使所述衬底骤冷，即在所述衬底上得到所述二维碲化铅纳米片；
具体地，所述反应原料包括但不限于碲化铅粉末、碲化铅块体、碲单质、含碲化合物、铅单质和/或含铅化合物。
需要注意的是，所述反应原料也可以为含碲和/或铅的混合物、有机聚合物或者合金等。
具体地，所述反应原料和所述衬底沿所述保护气体的气流方向依次放置。相对于所述衬底，所述反应原料位于保护气体的气流上游。
在保护气体的气氛下升温后，反应原料在高温条件下形成PbTe反应气体，或含Pb和含Te的混合反应气体，该反应气体在保护气体气流的输运作用下沉积到衬底上形成晶核，并最终外延生长成为具有单晶结构的非层状二维PbTe纳米片。该沉积过程可以为物理气相沉积或化学气相沉积。
上述制备方法采用具有原子级平滑度表面的材料作为生长衬底，衬底表面无悬挂键，呈现出化学惰性，反应气体分子与衬底通过范德华力结合，因此生长过程中外延层的应变能快速驰豫，有效减小外延层和基底晶格失配的影响，从而外延生长成PbTe纳米片结构。该方法利用范德华外延生长技术，不需要材料与衬底的晶格高度匹配，操作简单，价格低廉，能够合成低表面粗糙度的PbTe纳米片。
在实际生产过程中，所述反应原料和所述衬底放置在生长装置中，例如管式炉中，使用耐高温容器集中放置所述反应原料，所述耐高温容器包括但不限于陶瓷舟、石英舟、石英玻璃片或石英玻璃管。
在实际生产过程中，可以采用碲化铅块体或者碲化铅粉末作为反应原料，置于反应装置的蒸发源位置，进行物理气相沉积过程，以生长二维碲化铅纳米片。
保护气体起到载气的作用，为确保载气不与反应物和产物发生反应，同时考虑到生产安全和成本，本说明书实施例中，所述保护气体包括但不限于氮气、氦气、氩气、氖气或氢气中的一种或几种。例如氢氩混合气或氢氦混合气。采用惰性气体和/或氢气作为保护气体，以防止反应原料或PbTe纳米片产物被氧化和污染等。
在实际生产过程中，为避免反应原料和产物被氧化或污染，需要去除生产装置的内腔中的O2和H2O等气体。具体地，将衬底和反应原料放入生产装置后，利用抽真空装置(如真空泵)对反应腔室抽真空，直至压强降低至0.1mbar以下，通入保护气体至反应腔室内恢复大气压，再次抽真空至反应腔室内压强降至0.05mbar以下，然后控制载气装置开启并调整保护气体流速，以通入保护气体。保护气体流速稳定后开始程序升温过程。当然，可以重复上述抽真空和通入保护气体的过程，以更好的去除O2和H2O等干扰气体。
本发明利用范德华外延生长技术，合成了具有高度平整表面、厚度均匀的、超薄的PbTe纳米片。本说明书实施例中，所述衬底包括但不限于云母片、石墨烯、二维片状六方氮化硼或二维片状过渡金属硫族化合物。上述几种衬底材料具有天然的层状结构，容易合成，表面具有原子级平整度，无悬挂键，是范德华外延生长的理想材料。
在实际生产过程中，上述衬底材料需要取新合成表面或新解离的光滑表面作为衬底的生长面，防止衬底表面的刮痕、灰尘以及吸附物等影响PbTe成核和生长方式。
进一步地，本说明书的一些实施例中，所述衬底优选为氟金云母片，所述氟金云母被物理解离成若干片，将解离后得到的新氟金云母表面作为用于所述PbTe纳米片生长的生长面。氟金云母片具有准六方的层状晶体结构，易于沿着(001)表面进行剥离，新剥离出的表面具有原子级平滑度且呈现化学惰性。氟金云母价格低廉，尺寸可按需求定制，通过剥离可重复使用。其天然的透光性和柔性也有利于后续光学以及光电柔性器件的制备。
进一步地，本说明书实施例中，在所述沉积过程中，优选地，所述反应原料置于所述生长装置的加热中心，所述衬底置于沿所述气流方向上的、距离所述加热中心的5-25cm区域内。
在实际生产过程中，所述生长装置中的热能以加热中心向两边呈放射性扩散，即加热中心位置的温度最高，两边的温度逐渐降低。反应原料在加热中心受热后形成反应气体，例如气态PbTe，反应气体随载气到达衬底所在位置，由于衬底所在位置的温度较低，因此在衬底表面凝结成核，最终形成PbTe纳米片。
在一些实施例中，为避免衬底上形成大量杂质和晶块等，以获得纯度更高、形貌均一的PbTe纳米片，在实际生产过程中，可以采用下述制备过程：所述反应原料初始时置于距离所述加热中心40-50cm的区域内，位于保护气体气流的上游；程序升温过程完成后，所述加热中心温度恒定时，将所述反应原料移动至所述加热中心位置；在恒温加热作用下，进行物理沉积过程。
在一些实施例中，为避免由于过量气态PbTe导致衬底上的生长密度过大和形成大量杂质，沉积过程结束后，移动反应原料至远离加热中心和衬底所在位置，优选地，将反应原料沿气流的反方向移动至距离加热中心40-50cm的区域内。
例如在实际操作中，可以在装载反应原料的耐高温容器上设置磁体，在外部利用另一磁体控制耐高温容器在生长装置内移动。
进一步地，为在衬底上获得大面积、超薄的、及具有面心立方晶体结构的PbTe纳米片，本说明书实施例中，用于恒温加热所述反应原料的温度可以为750℃-900℃；所述程序升温的速度可以为40-80℃/min；所述惰性气体的流速可以为200scc/min-300scc/min；所述沉积过程的时间可以为7-25min。
在实际生产过程中，所述程序升温的过程可以具体为控制所述生长装置的加热中心以40-80℃/min的速度升温至750℃-900℃。
在实际生产过程中，上述条件控制直接影响产物的结构和性质。其中，恒温加热反应原料的温度、沉积过程时间和保护气体流速对目标产物生长的影响最大。当温度过高或过低时，产物易于生长为三角塔形纳米颗粒。当沉积过程时间过短时，产物洁净度差、杂质较多、尺寸较小且分布太密集，不利于进行微纳加工，而反应时间过长得到的纳米片厚度较大，也不利于进行器件制作。此外，保护气体流速过高也会增加纳米片的厚度，使生长密度过大。
图1示出了一组具有不同生长时间的PbTe纳米片的显微镜图像，图1a-d的沉积过程的时间分别为3min，10min，15min和25min。该组PbTe纳米片在合成过程中的保护气体为H2，气流的流速为200scc/min，恒温加热反应源温度为750℃。如图1所示，随沉积过程时间的增加，PbTe纳米片的面积尺寸逐渐变大，3min条件下未形成形貌大小均一的二维PbTe纳米片，衬底上主要产物为不规则晶粒，且密度较高。当时间增加至10min后，得到了长宽约为7μm的PbTe纳米片，但生长密度过低，不利于后续在光电器件等的应用。图1c中的产物长宽约为10μm，形貌均一，生长密度适中，该条件下生长的纳米片厚度范围为5nm-15nm，单个PbTe纳米片厚度均匀。图1d中产物长宽约为70μm，具有较大的面积，但厚度较大，约300nm。
图2示出了一组具有不同保护气体流速的PbTe纳米片的显微镜图像，图2a-d的气体流速分别为50scc/min，200scc/min，250scc/min和300scc/min。该组PbTe纳米片在合成过程中的保护气体为H2，沉积过程的时间为7min，恒温加热反应源温度为850℃。如图2a所示，当保护气体流速过低时，产物易沿<111>面生长而形成三角塔状，造成产物形貌不均一。
进一步地，本说明书实施例中，沉积过程后采用骤冷的方式完成PbTe的结晶和生长过程。在冷却过程中，存在沉积与蒸发的竞争过程，若蒸发的速率大于沉积速率，沉积的部分PbTe晶体发生挥发，易导致产物的晶体形状不规则。而骤冷的生长方式有利于抑制蒸发过程，从而得到形状规则、生长取向均一、大尺寸和高结晶度的PbTe纳米片。
在实际生产过程中，所述骤冷的实现方法包括但不限于：沉积过程结束后，可以采用移动加热源的方式，使加热源远离衬底所在位置，以实现骤冷的生长方式，使PbTe在快速冷却速率条件下结晶生长。
在一个具体实施例中，图3示出了在其它生长参数相同的条件下，恒温加热反应源温度为850℃时，利用自然冷却方式和骤冷方式得到的产物的形貌图。对比图3a和图3b可知，骤冷方式得到了形貌尺寸均一、高度结晶、生长密度均匀的PbTe纳米片，而缓慢冷却未得到形状规整的PbTe纳米片结构。
本发明所述的二维碲化铅纳米片具有良好的光电性能，请参考图14-16，图14-16示出了本说明书实施例提供的一组基于二维碲化铅纳米片光电器件的光电测试结果。
请参考图14，选取不同功率的波长为1550nm的激光作为所述碲化铅纳米片光电器件的入射光，并施加100mV的偏压，随着入射光功率的增强，光电流也逐渐增强，该碲化铅纳米片光电器件对中红外波段的光线有明显的光响应。在一个具体实施例中，在入射光功率为252.6μW时，得到的光电流为26.1nA。
请参考图15，在不同功率的1550nm入射光条件下，碲化铅纳米片光电器件的光电流随着入射光强度的增加而稳定增长，每个开关周期的形状基本相似，表明了其光开关具有良好的可重复性，并具有较高的光电响应。
请参考图16，图16反映了在不同功率的1550nm入射光条件下，碲化铅纳米片光电器件的光电流和光响应率的依赖关系。光电流随入射光功率的增加而显著增强，该碲化铅纳米片光电器件具有较宽的光强度检测范围和较高的光电响应。在一个具体实施例中，光功率为54.4μW时，响应率高达3847AW-1。
以下介绍本发明基于上述技术方案的一种纳米材料，该纳米材料包括二维碲化铅纳米片，所述二维碲化铅纳米片为单晶结构。
进一步地，所述二维碲化铅纳米片的厚度为5nm-300nm，宽度或长度为1-70μm。
通过调控沉积过程时间、恒温加热反应源温度、保护气体流速和程序升温速度等生长参数，优选地，所述纳米片的厚度为5nm-100nm，宽度或长度为1μm-50μm。
进一步地，本说明书实施例中，所述纳米片为面心立方晶体结构，其暴露晶面为{100}晶面族，所述纳米片具有片状矩形形貌。
上述PbTe纳米片具有相同的择优生长取向，即具有明显的范德华外延生长特征，其结构和形貌有利于加工制备，以实现在光电器件中的应用。
基于上述技术方案，本发明提供一种红外光探测器，包括红外传感单元，所述红外传感单元包括上述纳米材料或所述方法制备的二维碲化铅纳米片。
基于上述技术方案，本发明提供一种储能装置，包括电极，所述电极包括上述纳米材料或所述方法制备的二维碲化铅纳米片，所述储能装置包括太阳能电池或同位素电池。
基于上述技术方案，本发明提供一种场效应晶体管，包括电极，所述电极包括上述纳米材料或所述方法制备的二维碲化铅纳米片。
基于上述技术方案，本发明提供一种催化系统，包括光电催化剂，所述光电催化剂包括上述纳米材料或所述方法制备的二维碲化铅纳米片。
需要注意的是，基于上述技术方案，本发明不限于上述应用，还包括一种范德华异质结器件，包括范德华异质结构，所述范德华异质结构包括上述纳米材料或所述方法制备的二维碲化铅纳米片。以及，一种存储器，包括存储材料，所述存储材料包括上述纳米材料或所述方法制备的二维碲化铅纳米片。
请参考图4，图4示出了本说明书具体实施例中二维PbTe纳米片的生长装置示意图，具体为一种水平管式炉。其中，进气口6与载气装置连通，出气口5连通真空泵，图中的箭头方向为保护气体的气流方向，炉内磁体1与耐高温容器3连接并通过炉外磁体2固定。保护气体将气态PbTe运输至衬底4所在位置，气相沉积生成PbTe纳米片。
以下基于上述技术方案和生长装置列举本说明书的一些具体实施例。
实施例1
本实施例公开一种二维碲化铅纳米片的制备方法，具体包括：
(1)云母片衬底的制备
a)将云母片分割成1.5cm*1.5cm的正方形；
b)用刀片或剪刀将云母片从中间解离为3～4片，以新解离的光滑平面作为为生长面。
(2)称取400mg的PbTe粉末，装在石英舟中，然后用铁丝将石英舟与炉内磁铁相连，并将其放入水平管式炉的气路上游，具体为距离加热中心40-50cm的位置，在管式炉的炉管外利用炉外磁铁吸住炉内磁铁；将云母片置于水平管式炉的气路下游，具体为距离加热中心5-25cm的位置；
(3)利用真空泵对水平管式炉抽真空，当炉内压强降至0.06mbar时，通入氩气使管内压强回到大气压后，停止通气，利用真空泵对水平管式炉抽真空；
(4)重复操作(3)至炉内压强降至0.03mbar以下；
(5)通入氢气，气体流速控制在200scc/min，以40℃/min的加热速率加热至加热中心温度为750℃；
(6)利用炉外磁铁将石英舟推至水平管式炉的加热中心区域保持15min后，再将石英舟推至水平管式炉的加热中心区域上游40-50cm的位置，并挪开高温炉，使加热源远离衬底所在位置，进行骤冷结晶；
(7)反应结束后，待衬底冷却至室温，取出衬底，衬底上即有二维PbTe单晶纳米片。
图5示出本实例制备的单晶PbTe纳米片的显微镜图像(图5a)和能量色散X射线光谱(EDX)(图5b)。如图5a所示，PbTe二维纳米片多呈正方形，边长约为10μm，说明这些纳米片具有相同的择优生长取向，即具有明显的范德华外延生长特征。如图5b所示，单晶PbTe纳米片中的Pb与Te的化学计量比近似于1:1，说明其纯度良好。
图6示出本实例制备的单个PbTe纳米片的原子力显微镜(AFM)图片。如图6所示，本实施例制得的纳米片表面平整，并且具有超薄且均一的厚度，具体地，该纳米片的厚度约为20nm。
图7示出本实例制备的PbTe纳米片的拉曼光谱，87cm-1为TeO2横光学散射峰，143cm-1为TeO2纵光学散射峰，119cm-1为PbTe横光学散射峰，183cm-1为PbTe耦合声子等离激元震动吸收峰。需要注意的是，该拉曼测试过程中，载有PbTe纳米片被置于空气中，其表面在空气环境中被氧化，因此检测出TeO2横光学散射峰和TeO2纵光学散射峰。
图8示出本实例制备的PbTe纳米片的透射电镜(TEM)明场像(图8a)，高分辨透射电镜图像(图8b)，以及选区电子衍射(SAED)图片(图8c)。如图8b和c所示，衍射斑点呈现规则的四次对称性，晶面间距为0.32nm，证明PbTe纳米片具有良好的单晶结构，为面心立方晶体结构，暴露晶面为(100)晶面族。
需要注意的是，本实施例中TEM样品的制备过程为：将具有PbTe纳米片产物的云母衬底放入溶液中超声，以使PbTe纳米片脱离云母衬底并分散在溶液中，利用该溶液制成透射电镜样品。上述过程可能造成PbTe纳米片破损、卷曲、褶皱、折叠和吸附杂质等，因此TEM图像中单个PbTe纳米片不能够代表本说明书公开的二维PbTe纳米片的整体质量、形貌或尺寸。
实施例2
本实施例公开一种二维碲化铅纳米片的制备方法，具体包括：
(1)氟金云母片衬底的制备
a)将氟金云母片沿分割成1.5cm*1.5cm的正方形；
b)用刀片或剪刀将氟金云母片沿(001)表面进行剥离为3～4片，以新解离的光滑平面作为为生长面。
(2)称取400mg的PbTe粉末，装在石英舟中，然后用铁丝将石英舟与炉内磁铁相连，并将其放入水平管式炉的气路上游，具体为距离加热中心40-50cm的位置，在管式炉的炉管外利用炉外磁铁吸住炉内磁铁；将氟金云母片置于水平管式炉的气路下游，具体为距离加热中心5-25cm的位置；
(3)利用真空泵对水平管式炉抽真空，当炉内压强降至0.06mbar时，通入氩气使管内压强回到大气压后，停止通气利用真空泵对水平管式炉抽真空；
(4)重复操作(3)至炉内压强降至0.03mbar以下；
(5)通入氢气，气体流速控制在200scc/min，以40℃/min的加热速率加热至加热中心的温度达850℃；
(6)利用炉外磁铁将石英舟推至水平管式炉的加热中心区域保持15min后，再将石英舟推至水平管式炉的加热中心区域上游40-50cm的位置，并挪开高温炉，使加热源远离衬底所在位置，进行骤冷结晶；
(7)反应结束后，待衬底冷却至室温，取出衬底，衬底上即有二维碲化铅或硒化铅二维单晶纳米片。
图9示出了本实施例制备的PbTe纳米片的显微镜图像(图9a)，SAED(图9b)和AFM(图9c)。与实施例1类似的，本实施例的PbTe纳米片为形状规整的类正方形，边长约为10μm，具有面心立方的晶体结构，暴露晶面为(100)，其厚度约为10nm。如图10所示，通过对图9中SAED的分析可知，该SAED所对应的PbTe纳米片的晶面间距d＝1/3.09＝0.32nm＝3.2A。
实施例3
本实施例公开一种二维碲化铅纳米片的制备方法，具体包括：
(1)氟金云母片衬底的制备
a)将氟金云母片沿分割成1.5cm*1.5cm的正方形；
b)用刀片或剪刀将氟金云母片沿(001)表面进行剥离为3～4片，以新解离的光滑平面作为为生长面。
(2)称取400mg的PbTe块体，装在陶瓷舟中，然后用铁丝将陶瓷舟与磁铁相连，并将其放入水平管式炉上游距离加热中心40-50cm的位置，在管式炉的炉管外利用磁铁吸住管内磁铁，将云母片至于水平管式炉下游距离加热中心5-25cm的位置；
(3)利用真空泵对水平管式炉抽真空，当炉内压强降至0.1mbar时，通入氩气使管内压强回到大气压后，停止通气利用真空泵对水平管式炉抽真空；
(4)重复操作(3)至炉内压强降至0.05mbar以下；
(5)通入氢气，气体流速控制在250scc/min，以40℃/min的加热速率加热至加热中心的温度达800℃；
(6)利用磁铁将石英舟推至水平管式炉的加热中心区域保持25min后，利用磁铁将石英舟推至水平管式炉的加热中心区域上游40-50cm的位置，并挪开高温炉，使加热源远离衬底所在位置，进行骤冷结晶；
(7)反应结束后，待衬底冷却至室温，取出衬底，衬底上即有二维碲化铅或硒化铅二维单晶纳米片。
图11示出了本实施例制备的PbTe纳米片的显微镜图像(图11a)和SEM图像(图11b)，本实施例中的PbTe纳米片的边长约为40-50μm，厚度约为250-300nm。
本实施例中制备的PbTe纳米片的尺寸和厚度大于上述实施例，其它性能参数与上述实施例中产品的检测结果相似。
实施例4
本实施例公开一种二维碲化铅纳米片的制备方法，具体包括：
(1)氟金云母片衬底的制备
a)将氟金云母片沿分割成1.5cm*1.5cm的正方形；
b)用刀片或剪刀将氟金云母片沿(001)表面进行剥离为3～4片，以新解离的光滑平面作为为生长面。
(2)称取400mg的PbTe粉末，装在石英舟中，然后用铁丝将石英舟与炉内磁铁相连，并将其放入水平管式炉的气路上游，具体为距离加热中心40-50cm的位置，在管式炉的炉管外利用炉外磁铁吸住炉内磁铁；将氟金云母片置于水平管式炉的气路下游，具体为距离加热中心5-25cm的位置；
(3)利用真空泵对水平管式炉抽真空，当炉内压强降至0.06mbar时，通入氩气使管内压强回到大气压后，停止通气利用真空泵对水平管式炉抽真空；
(4)重复操作(3)至炉内压强降至0.03mbar以下；
(5)通入氢气，气体流速控制在300scc/min，以80℃/min的加热速率加热至加热中心的温度达800℃；
(6)利用炉外磁铁将石英舟推至水平管式炉的加热中心区域保持7min后，再将石英舟推至水平管式炉的加热中心区域上游40-50cm的位置，并挪开高温炉，使加热源远离衬底所在位置，进行骤冷结晶；
(7)反应结束后，待衬底冷却至室温，取出衬底，衬底上即有二维碲化铅或硒化铅二维单晶纳米片。
请参考图2d，本实施例中制备的PbTe纳米片性能参数与上述实施例1中产品的检测结果相似。
实施例5
本实施例公开一种二维碲化铅纳米片的制备方法，具体包括：
(1)氟金云母片衬底的制备
a)将氟金云母片沿分割成1.5cm*1.5cm的正方形；
b)用刀片或剪刀将氟金云母片沿(001)表面进行剥离为3～4片，以新解离的光滑平面作为为生长面。
(2)称取400mg的PbTe粉末，装在石英舟中，然后用铁丝将石英舟与炉内磁铁相连，并将其放入水平管式炉的气路上游，具体为距离加热中心40-50cm的位置，在管式炉的炉管外利用炉外磁铁吸住炉内磁铁；将氟金云母片置于水平管式炉的气路下游，具体为距离加热中心5-25cm的位置；
(3)利用真空泵对水平管式炉抽真空，当炉内压强降至0.06mbar时，通入氩气使管内压强回到大气压后，停止通气利用真空泵对水平管式炉抽真空；
(4)重复操作(3)至炉内压强降至0.03mbar以下；
(5)通入氢气，气体流速控制在250scc/min，以80℃/min的加热速率加热至加热中心的温度达900℃；
(6)利用炉外磁铁将石英舟推至水平管式炉的加热中心区域保持22min后，再将石英舟推至水平管式炉的加热中心区域上游40-50cm的位置，并挪开高温炉，使加热源远离衬底所在位置，进行骤冷结晶；
(7)反应结束后，待衬底冷却至室温，取出衬底，衬底上即有二维碲化铅或硒化铅二维单晶纳米片。
请参考图12，本实施例中制备的PbTe纳米片的性能参数与实施例3中产品的检测结果相似。
实施例6
本实施例公开一种二维碲化铅纳米片的制备方法，具体包括：
(1)石墨烯衬底的制备
a)获取高质量石墨晶体；
b)用胶带手撕石墨烯，并将石墨烯转移至Si/SiO2上，作为生长衬底。
(2)称取400mg的PbTe粉末，装在石英舟中，然后用铁丝将石英舟与炉内磁铁相连，并将其放入水平管式炉的气路上游，具体为距离加热中心40-50cm的位置，在管式炉的炉管外利用炉外磁铁吸住炉内磁铁；将氟金云母片置于水平管式炉的气路下游，具体为距离加热中心5-25cm的位置；
(3)利用真空泵对水平管式炉抽真空，当炉内压强降至0.06mbar时，通入氩气使管内压强回到大气压后，停止通气利用真空泵对水平管式炉抽真空；
(4)重复操作(3)至炉内压强降至0.03mbar以下；
(5)通入氢气，气体流速控制在200scc/min，以40℃/min的加热速率加热至加热中心的温度达850℃；
(6)利用炉外磁铁将石英舟推至水平管式炉的加热中心区域保持10min后，再将石英舟推至水平管式炉的加热中心区域上游40-50cm的位置，并挪开高温炉，使加热源远离衬底所在位置，进行骤冷结晶；
(7)反应结束后，待衬底冷却至室温，取出衬底，衬底上即有二维碲化铅或硒化铅二维单晶纳米片。
图13示出了生长过程前(图13a)和后(图13b)的石墨烯衬底的显微镜图像。如图13b所示，本实施例的制备方法在石墨烯上生长出了PbTe纳米片结构，其性能参数与实施例1中的产品相似。
实施例7
(1)六方氮化硼衬底的制备
a)获取高质量六方氮化硼晶体；
b)用胶带手撕六方氮化硼，并将六方氮化硼转移至Si/SiO2上，作为生长衬底。
(2)称取400mg的PbTe粉末，装在石英舟中，然后用铁丝将石英舟与炉内磁铁相连，并将其放入水平管式炉的气路上游，具体为距离加热中心40-50cm的位置，在管式炉的炉管外利用炉外磁铁吸住炉内磁铁；将云母片置于水平管式炉的气路下游，具体为距离加热中心5-25cm的位置；
(3)利用真空泵对水平管式炉抽真空，当炉内压强降至0.06mbar时，通入氩气使管内压强回到大气压后，停止通气，利用真空泵对水平管式炉抽真空；
(4)重复操作(3)至炉内压强降至0.03mbar以下；
(5)通入氢气，气体流速控制在200scc/min，以40℃/min的加热速率加热至加热中心的温度达850℃；
(6)利用炉外磁铁将石英舟推至水平管式炉的加热中心区域保持10min后，再将石英舟推至水平管式炉的加热中心区域上游40-50cm的位置，并挪开高温炉，使加热源远离衬底所在位置，进行骤冷结晶；
(7)反应结束后，待衬底冷却至室温，取出衬底，衬底上即有二维PbTe单晶纳米片。
本实施例中制备的PbTe纳米片的性能参数与实施例6中产品的检测结果相似。
实施例8
(1)二硫化钼衬底的制备
c)获取高质量二硫化钼晶体；
d)用胶带手撕二硫化钼，并将二硫化钼转移至Si/SiO2上，作为生长衬底。
(2)称取400mg的PbTe粉末，装在石英舟中，然后用铁丝将石英舟与炉内磁铁相连，并将其放入水平管式炉的气路上游，具体为距离加热中心40-50cm的位置，在管式炉的炉管外利用炉外磁铁吸住炉内磁铁；将氟金云母片置于水平管式炉的气路下游，具体为距离加热中心5-25cm的位置；
(3)利用真空泵对水平管式炉抽真空，当炉内压强降至0.06mbar时，通入氩气使管内压强回到大气压后，停止通气利用真空泵对水平管式炉抽真空；
(4)重复操作(3)至炉内压强降至0.03mbar以下；
(5)通入氢气，气体流速控制在200scc/min，以40℃/min的加热速率加热至加热中心的温度达850℃；
(6)利用炉外磁铁将石英舟推至水平管式炉的加热中心区域保持10min后，再将石英舟推至水平管式炉的加热中心区域上游40-50cm的位置，并挪开高温炉，使加热源远离衬底所在位置，骤冷结晶；
(7)反应结束后，待衬底冷却至室温，取出衬底，衬底上即有二维碲化铅或硒化铅二维单晶纳米片。
本实施例中制备的PbTe纳米片的性能参数与实施例6中产品的检测结果相似。
综上，本发明利用范德华外延技术，通过调控生长参数制备出大面积、超薄、单晶结构的二维碲化铅纳米片，该制备方法对生产设备要求低，成本低廉，操作简单，所制备PbTe纳米片的尺寸和厚度易于调控，形状整齐，形貌均一，结晶度高，在场效应晶体管、范德华异质结、太阳能电池、红外光探测器、光催化和存储器等领域中具有重要的研究价值和广泛的应用前景。
上述说明已经充分揭露了本发明的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。

Claims (10)

1.一种纳米材料，其特征在于，包括二维碲化铅纳米片，所述二维碲化铅纳米片为单晶结构。
2.根据权利要求1所述的纳米材料，其特征在于，所述二维碲化铅纳米片的厚度为5nm-300nm，宽度或长度为1-70μm，所述二维碲化铅纳米片为面心立方晶体结构，其暴露晶面为{100}晶面族，所述纳米片具有片状矩形形貌。
3.一种二维碲化铅纳米片的制备方法，其特征在于，包括：
称取用于二维碲化铅纳米片生长的反应原料；
将具有原子级平滑度表面的片状材料作为生长衬底；
在保护气体的气流中，程序升温后，恒温加热所述反应原料进行气相沉积；
沉积过程结束后使所述衬底骤冷，即在所述衬底上得到所述二维碲化铅纳米片；
所述反应原料包括碲化铅粉末、碲化铅块体、碲单质、含碲化合物、铅单质和/或含铅化合物；
所述反应原料和所述衬底沿所述保护气体的气流方向依次放置。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述沉积过程中，所述反应原料置于生长装置的加热中心，所述衬底置于沿所述气流方向上的、距离所述加热中心的5-25cm区域内。
5.根据权利要求3中所述的方法，其特征在于，所述保护气体的流速为200scc/min-300scc/min，用于恒温加热所述反应原料的温度为750℃-900℃，所述沉积过程的时间为7-25min。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述衬底包括云母片、石墨烯、二维片状六方氮化硼或二维片状过渡金属硫族化合物；或，
所述衬底包括氟金云母，所述氟金云母被物理解离成若干片，将解离后得到的新氟金云母表面作为用于所述二维碲化铅纳米片生长的生长面。
7.一种红外光探测器，包括红外传感单元，其特征在于，所述红外传感单元包括权利要求1-2中任一所述的纳米材料或权利要求3-6中任一所述的方法制备的二维碲化铅纳米片。
8.一种储能装置，包括电极，其特征在于，所述电极包括权利要求1-2中任一所述的纳米材料或权利要求3-6中任一所述的方法制备的二维碲化铅纳米片，所述储能装置包括太阳能电池或同位素电池。
9.一种场效应晶体管，包括电极，其特征在于，所述电极包括权利要求1-2中任一所述的纳米材料或权利要求3-6中任一所述的方法制备的二维碲化铅纳米片。
10.一种催化系统，包括光电催化剂，其特征在于，所述光电催化剂包括权利要求1-2中任一所述的纳米材料或权利要求3-6中任一所述的方法制备的二维碲化铅纳米片。
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