CN111554567A - 一种纳米线状狄拉克半金属砷化镉及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种纳米线状狄拉克半金属砷化镉及其制备方法，方法包括：将源物质置于指定气体中进行加热，使所述源物质蒸发，所述源物质包括砷化镉；将所述指定气体的流速调整至预定流速，以通过所述指定气体将蒸发出的所述源物质输运到与所述源物质相距预定距离的衬底上；其中，所述衬底上覆盖有多个相互分离的金颗粒，所述金颗粒通过在衬底上沉积预定厚度的金薄膜并进行退火后得到；金颗粒呈岛状，尺寸为亚微米或微米级别；对所述源物质进行降温，以使源物质在金颗粒上成核、结晶并生长，得到纳米线状狄拉克半金属砷化镉。通过本发明提供的方法，可以控制纳米线状狄拉克半金属砷化镉的直径和长度等尺寸，且制备方法简单可靠，成本低廉。

Description

一种纳米线状狄拉克半金属砷化镉及其制备方法
技术领域
本发明属于半导体纳米材料制备技术领域，具体涉及一种纳米线状狄拉克半金属砷化镉及其制备方法。
背景技术
近年来，随着拓扑绝缘体、拓扑超导体、拓扑狄拉克半金属为代表的新型拓扑材料以其特有的奇异的物理性能受到研究者的广泛关注。同时，这些新型拓扑量子材料特有的物理性能为凝聚态物理的研究提供了良好的基础。其中，狄拉克半金属砷化镉以其特殊的能带结构和较大的载流子迁移率以及优异的化学稳定性成为凝聚态物理研究的理想材料。
狄拉克半金属砷化镉在三维动量空间内具有线性分散的能带结构，并且其导带和价带发生反转，导带和价带相交于一点，费米面在这一点处缩小为点，这个点被称为狄拉克点。狄拉克点是由手性相反的两个外尔点构成的，当破坏狄拉克半金属砷化镉的对称性时，可以把狄拉克点分开为两个外尔点，从而得到外尔半金属。因此，狄拉克半金属砷化镉是系统化研究拓扑半金属量子相变的一种理想材料。同时，因为狄拉克半金属砷化镉的自旋特性以及较大的载流子迁移率，从而可以用来制备下一代电子自旋器件。
目前，制备狄拉克半金属砷化镉的方法主要包括分子束外延法(Molecular BeamEpitaxy Method)、熔剂热法(Flux Method)以及化学气相沉积法(Chemical VapourDeposition Method)。但是上述方法均存在一定的缺陷。
例如，分子束外延法在整个生长过程中对真空度要求特别高，需要在超高真空下进行生长，同时，镉元素会附着在分子束外延设备的生长腔室内表面且难以清除，从而破坏分子束外延设备生长腔室的洁净度和真空度，此外，分子束外延设备十分昂贵且操作复杂。利用熔剂热法制备的狄拉克半金属砷化镉的厚度、大小以及形状都难以控制，并且在利用溶剂热法制备狄拉克半金属砷化镉时，需要两种粉末状原材料，分别是砷和镉，并且需要过量的镉，随之而来的问题是，在最终制备的砷化镉产物中可能存在镉元素超标的情况，从而影响砷化镉的纯度，进而影响其电学和磁学性能，此外，利用溶剂热法制备砷化镉时需要进行高温加热二十四小时以上甚至更久，并且需要在高温下进行离心处理，具有一定的危险性。利用传统的化学气相沉积法制备狄拉克半金属砷化镉，由于衬底的吸附力较弱，使得狄拉克半金属砷化镉呈团簇结构或颗粒状，难以分离和转移。
因此，亟需一种操作简单、成本低廉、产物可控的纳米线状狄拉克半金属砷化镉的制备方法，以解决上述技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种纳米线状狄拉克半金属砷化镉及其制备方法，使得制备出的纳米线状狄拉克半金属砷化镉的尺寸可控，且制备过程操作简单、成本低廉。
为实现上述目的，本发明实施例提供一种纳米线状狄拉克半金属砷化镉的制备方法，该方法包括：
将源物质置于指定气体中进行加热，使所述源物质蒸发，所述源物质包括砷化镉；
将所述指定气体的流速调整至预定流速，以通过所述指定气体将蒸发出的所述源物质输运到与所述源物质相距预定距离的衬底上；其中，所述衬底上覆盖有多个相互分离的金颗粒，所述金颗粒通过在硅片上沉积预定厚度的金薄膜并进行退火后得到；所述金颗粒呈岛状，所述金颗粒的尺寸为亚微米或微米级别。
对所述源物质进行降温，以使所述源物质在所述金颗粒上成核、结晶并生长，得到纳米线状狄拉克半金属砷化镉。
本发明实施例还提供一种纳米线状狄拉克半金属砷化镉，通过所述制备方法制备得到。
可以看出，通过在衬底上沉积金薄膜，并对沉积了金薄膜的衬底进行退火，从而在衬底上覆盖多个互相分离的亚微米或微米级别的岛状金颗粒，增强了衬底的吸附力，也将生成的狄拉克半金属砷化镉的直径控制在25nm～50nm，长度控制在10μm～50μm，使得狄拉克半金属砷化镉为纳米线状，同时制备的过程中不需要高真空和高温加热，所需设备简单，利于操作和维护，成本低廉，安全可靠。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，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他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种纳米线状狄拉克半金属砷化镉的制备方法流程图；
图2是本发明实施例提供的表面覆盖有金颗粒的衬底的扫描电子显微镜图；
图3是利用本发明实施例提供的纳米线状狄拉克半金属砷化镉的制备方法，制备得到的纳米线状狄拉克半金属砷化镉的扫描电子显微镜图；
图4是在衬底上未沉积金薄膜的情况下，制备得到的狄拉克半金属砷化镉的扫描电子显微镜图；
图5是在衬底上沉积有金薄膜，但并未进行退火处理的情况下，制备得到的狄拉克半金属砷化镉的扫描电子显微镜图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式，对本发明的技术方案作详细说明，应理解这些实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本发明所附权利要求所限定的范围内。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。
参考图1所示，为本发明实施例提供的一种纳米线状狄拉克半金属砷化镉的制备方法流程图。
S1：将源物质置于指定气体中进行加热，使所述源物质蒸发，所述源物质包括砷化镉。
S2：将所述指定气体的流速调整至预定流速，以通过所述指定气体将蒸发出的所述源物质输运到与所述源物质相距预定距离的衬底上；其中，所述衬底上覆盖有多个相互分离的金颗粒，所述金颗粒通过在衬底上沉积预定厚度的金薄膜并进行退火后得到；所述金颗粒呈岛状，所述金颗粒的尺寸为亚微米或微米级别。
S3：对所述源物质进行降温，以使所述源物质在所述金颗粒上成核、结晶并生长，得到纳米线状狄拉克半金属砷化镉。
优选的，所述指定气体包括氮气或氩气。
优选的，将所述源物质加热至500℃～600℃，加热时间为20min～60min。
优选的，所述源物质为纯度大于等于99％的砷化镉固体粉末，所述源物质每次的用量为0.5g～1.0g。
优选的，所述预定流速为20sccm～100sccm。
优选的，所述预定距离为20cm～30cm。
优选的，对所述源物质进行降温时，降温速率为每分钟下降3℃～15℃。
优选的，所述预定厚度为3nm～10nm。
优选的，退火温度为450℃～550℃，退火时间为25s～35s。
优选的，所述金颗粒呈岛状，所述金颗粒的尺寸为亚微米或微米级别。
优选的，得到的所述纳米线状狄拉克半金属砷化镉的直径在25nm～50nm之间，长度在10μm～50μm之间。
本发明实施例还提供一种纳米线状狄拉克半金属砷化镉，通过上述制备方法制备得到。
下面通过具体的实施例，对本发明的技术方案作进一步地阐释说明。
在一个具体的实施例中，衬底为硅片，先在硅片上沉积一层厚度为5nm的金薄膜，再将沉积了金薄膜的硅衬底放入真空退火设备内，在500℃退火30秒钟，将金薄膜转变为尺寸在亚微米和微米级别的岛状的金颗粒，从而在衬底上覆盖多个互相分离的金颗粒。具体的，参考图2所示为该衬底的扫描电子显微镜图，图2中的金颗粒A在双箭头方向上的尺寸为1.259μm，金颗粒B在双箭头方向上的尺寸为917.5nm，金颗粒C在双箭头方向上的尺寸为877.2nm，金颗粒D在双箭头方向上的尺寸为889.3nm。
得到覆盖有金颗粒的衬底后，将0.5g纯度在99％以上的砷化镉固体粉末置于将要加热的石英管的中央部位，并将衬底置于距离源物质25cm的位置，在对源物质进行加热之前，使用流速为300sccm的氮气多次对石英管进行除气以排除石英管内部的氧气等杂质气体。除气结束之后，将氮气的流速控制在50sccm，并且在40min之内将源物质处的温度由室温加热至500℃，并且保持此温度40min，最终可以得到长度在20微米至50微米左右的纳米线状狄拉克半金属砷化镉，同时还可以得到少量尺寸在10微米左右的纳米线状狄拉克半金属砷化镉，具体的，可参考图3所示，为制备得到的纳米线状狄拉克半金属砷化镉的扫描电子显微镜图。
在一个作为对比的实施例中，衬底为硅片，且衬底上并未沉积金薄膜，将0.5g纯度在99％以上的砷化镉固体粉末置于将要加热的石英管的中央部位，并将该衬底置于距离源物质25cm的位置，在对源物质进行加热之前，使用流速为300sccm的氮气多次对石英管进行除气以排除石英管内部的氧气等杂质气体。除气结束之后，将氮气的流速控制在50sccm，并且在40min之内将源物质处的温度由室温加热至500℃，并且保持此温度40min，最终可以得到长度在20微米至40微米左右的纳米线状狄拉克半金属砷化镉，但是由于该衬底的吸附力较弱，使得衬底上还出现很多颗粒状的狄拉克半金属砷化镉，使得单独转移纳米线状狄拉克半金属砷化镉变得十分困难。具体的，可参考图4所示，为衬底上未沉积金薄膜的情况下，制备得到的狄拉克半金属砷化镉的扫描电子显微镜图。
在另一个作为对比的实施例中，衬底为硅片，衬底上沉积有金薄膜，但并未进行退火处理，将0.5g纯度在99％以上的砷化镉固体粉末置于将要加热的石英管的中央部位，并将该衬底置于距离源物质25cm的位置，在对源物质进行加热之前，使用流速为300sccm的氮气多次对石英管进行除气以排除石英管内部的氧气等杂质气体。除气结束之后，将氮气的流速控制在50sccm，并且在40min之内将源物质处的温度由室温加热至500℃，并且保持此温度40min，最终可以得到长度在5微米至20微米左右的纳米线状狄拉克半金属砷化镉，但是由于并未进行退火处理，导致一个成核中心会生长多个纳米线状狄拉克半金属砷化镉，形成团簇结构，从而单独转移某一个纳米线状狄拉克半金属砷化镉同样十分困难。具体的，可参考图5所示，为衬底上沉积有金薄膜，但并未进行退火处理的情况下，制备得到的狄拉克半金属砷化镉的扫描电子显微镜图。
本说明书中的上述各个实施方式均采用递进的方式描述，各个实施方式之间相同相似部分相互参照即可，每个实施方式重点说明的都是与其他实施方式不同之处。
以上所述仅为本发明的几个实施方式，虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施方式的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种纳米线状狄拉克半金属砷化镉的制备方法，其特征在于，包括：
将源物质置于指定气体中进行加热，使所述源物质蒸发，所述源物质包括砷化镉；
将所述指定气体的流速调整至预定流速，以通过所述指定气体将蒸发出的所述源物质输运到与所述源物质相距预定距离的衬底上；其中，所述衬底上覆盖有多个相互分离的金颗粒，所述金颗粒通过在衬底上沉积预定厚度的金薄膜并进行退火后得到；所述金颗粒呈岛状，所述金颗粒的尺寸为亚微米或微米级别；
对所述源物质进行降温，以使所述源物质在所述金颗粒上成核、结晶并生长，得到纳米线状狄拉克半金属砷化镉。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述指定气体包括氮气或氩气。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，将所述源物质加热至500℃～600℃，加热时间为20min～60min。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述源物质为纯度大于等于99％的砷化镉固体粉末，所述源物质的用量为0.5g～1.0g。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述预定流速为20sccm～100sccm。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述预定距离为20cm～30cm。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述预定厚度为3nm～10nm。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，退火温度为450℃～550℃，退火时间为25s～35s。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，得到的所述纳米线状狄拉克半金属砷化镉的直径在25nm～50nm之间，长度在10μm～50μm之间。
10.一种纳米线状狄拉克半金属砷化镉，其特征在于，采用权利要求1-9中任一项所述的制备方法制备得到。
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