CN114275744A - 一种Bi2O2Se纳米带及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Bi₂O₂Se纳米带及其制备方法。该方法包括：分别称取一定质量的Bi₂O₃粉末和Bi₂Se₃粉末作为前驱体置于高温区，采用云母作为基底置于低温区，通入载气，将两个温区的温度按一定速率升高到目标温度，进行化学气相沉积。沉积完毕后停止通入载气，自然冷却至室温，即得到本发明提供的Bi₂O₂Se纳米带。本发明可制备出高质量、无缺陷、具有较低暗电流的Bi₂O₂Se纳米带。

Description

一种Bi2O2Se纳米带及其制备方法

技术领域

本发明属于半导体材料领域，涉及一种Bi₂O₂Se纳米带及其制备方法。

背景技术

硒氧化铋(Bi₂O₂Se)是一种独特的低维材料，属于四方晶系(I4/mmm,

and Z＝2)，其中带正电的

层与带负电

层通过静电力的作用相互交叠在一起，独特的晶体结构使其具备优异的物理化学性质。

2017年，研究者首次制备出超薄Bi₂O₂Se纳米片，并测出其有效电子质量为m^*＝(0.14±0.02)m₀，在常温下的电子迁移率为1500cm²V^-1s^-1，接近0k时，更是拥有20000cm²V^{- 1}s^-1的载流子迁移率。同时，Bi₂O₂Se的带隙为0.8eV，对波长为400nm-1700nm的光存在吸收。此外，Bi₂O₂Se在自然环境下具有超强的稳定性，放置数月后材料性能未发生明显变化。超高的载流子迁移率、合适的能带结构、突出的环境稳定性和力学稳定性使其有机会成为下一代光电子、场效应管的领域的候选者。

Bi₂O₂Se纳米片的制备工作已被多次报道，基于Bi₂O₂Se纳米片制备的光电探测器具有高响应度、宽光谱探测等优点，由于自身结构和物理尺寸的限制，不利于暗电流的抑制。后有研究者制备了Bi₂O₂Se纳米带用于光电探测器，例如Cheng等人开发的Bi₂O₂Se纳米带暗电流为100μA，同样存在暗电流过大的缺点。因此制备一种低暗电流的Bi₂O₂Se纳米材料成为进一步提高Bi₂O₂Se基光电探测器性能的关键。

发明内容

本发明的目的是提供一种高质量、低暗电流的Bi₂O₂Se纳米带及其制备方法。

本发明提供的Bi₂O₂Se纳米带长宽比为10-600，Bi₂O₂Se纳米带暗电流小于等于10^-10安。

进一步地，所述Bi₂O₂Se纳米带的线宽为200-3000纳米，长度为10-120微米。

本发明中，Bi₂O₂Se纳米带厚度为60-800纳米。

本发明中，不同取向的纳米带之间的夹角为60度。

本发明提供的制备所述Bi₂O₂Se纳米带的方法，包括：

以含有Bi元素和Se元素的化合物为前驱体，以云母为生长基底，进行化学气相沉积，得到所述的Bi₂O₂Se纳米带；

所述前驱体为Bi₂O₃和Bi₂Se₃，所述Bi₂O₃和Bi₂Se₃的质量比为1.2-5:1。

进一步地，Bi₂O₃和Bi₂Se₃的质量比为1.5-4:1。

进一步地，所述化学气相沉积步骤中，沉积压强为0.100-45托。

本发明的实验结果表明，前驱体间的质量比以及化学沉积时的压强可能是制备本发明纳米带的关键因素。

通过实施例和对比例之间的比较发现，当前驱体间的质量比或化学沉积时的压强超出本发明技术方案提供的范围时，不能得到晶体结构，或者得到的是纳米块，且更或者得到形貌不统一的块状晶体结构。

其中，云母为天然云母KAl₂(AlSi₃O₁₀)(OH)₂(001)和氟金云母KMg₃(AlSi₃O₁₀)F₂(001)。

所述云母的尺寸为1平方厘米-5平方厘米。

在本发明的技术方案中，化学气相沉积可在双温区管式炉中进行；具体可在管径为1-3英寸双温区的管式炉中进行。

化学沉积时，高温区温度为620-680摄氏度，具体可为620摄氏度、650摄氏度和680摄氏度；低温区温度为460-500摄氏度，具体可为460摄氏度、480摄氏度和500摄氏度。

按照气体流向，高温区位于低温区的上游；前驱体位于高温区的中心位置；基底位于低温区，具体为距高温区中心10-15厘米的下游位置。

沉积时间为20～60分钟，具体可为30分钟、40分钟、50分钟和60分钟。

载气为氩气或氮气；载气的流量为50-200sccm，具体可为60sccm、100sccm、150sccm或200sccm。

本发明提供的纳米带及其制备方法，具有以下有益效果：

1、由本发明方法制备得到的纳米带具有更小的暗电流，在1伏偏压下本发明所得Bi₂O₂Se纳米带暗电流为10^-10安量级，相比对比例1所得Bi₂O₂Se纳米片低6个数量级。

2、本发明采用化学气相沉积，以KAl₂(AlSi₃O₁₀)(OH)₂(001)、KMg₃(AlSi₃O₁₀)F₂(001)为基底，得到了严格按照基底晶向生长的高质量的Bi₂O₂Se纳米带，并通过调节生长温度、气压、时间等参数实现了不同形貌的可控生长。

3、由本发明方法制备得到的纳米带相比于Bi₂O₂Se纳米片，本发明制备所得的Bi₂O₂Se纳米带具有更大的比表面积和更小的截面积，有利于光子的吸收和暗电流的抑制。

4、本发明工艺流程简单，操作容易，成本低，无需催化剂，对实验设备要求较低，重复性较高。

附图说明

图1为本发明生长Bi₂O₂Se纳米带方法的示意图；

图2为本发明实施例1中所得Bi₂O₂Se纳米带阵列的SEM图像；

图3为本发明实施例1中所得单根Bi₂O₂Se纳米带的SEM图像；

图4为本发明实施例1中所得Bi₂O₂Se纳米带的AFM图像；

图5为将本发明实施例1中所得的Bi₂O₂Se纳米带转移至硅片后的EDS mapping图像；

图6为本发明实施例2中所得Bi₂O₂Se纳米带阵列的SEM图像；

图7为本发明实施例2中所得Bi₂O₂Se纳米带的AFM图像

图8为本发明实施例3中所得Bi₂O₂Se纳米带的SEM图像；

图9为对比例1中所得Bi₂O₂Se纳米片的SEM图像；

图10为本发明实施例1所得Bi₂O₂Se纳米带与对比例1所得Bi₂O₂Se纳米片的伏安特性曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但本发明不限于以下实施例。

实施例1

称取0.45克Bi₂O₃粉末和0.3克Bi₂Se₃粉末(重量比为1.5：1)，将Bi₂O₃粉末置于高温区中心，将Bi₂Se₃粉末置于高温区中心上游5厘米处，将1平方厘米的KMg₃(AlSi₃O₁₀)F₂(001)置于低温区距高温区中心10厘米处。通入氩气，流量为60sccm，维持管内压强为0.30托。将高温区温度升至650摄氏度，维持30分钟，将低温区温度升至480摄氏度，维持47分钟，进行化学气相沉积。沉积完毕后停止通入氩气，自然冷却至室温，将沉积有Bi₂O₂Se纳米带的KMg₃(AlSi3O₁₀)F₂(001)基底取出，即得到本发明提供的Bi₂O₂Se纳米带。

图2为该实施例制备所得Bi₂O₂Se纳米带阵列的SEM图像；由图可知，所得Bi₂O₂Se纳米带沿云母基底晶向生长，不同取向的纳米带之间的夹角为60度；所得单根Bi₂O₂Se纳米带的长度为30-120微米；

图3为该实施例制备所得Bi₂O₂Se纳米带单根的SEM图像；由图可知，所得Bi₂O₂Se纳米带晶体结构完美，表面无缺陷；

图4为该实施方案制备所得Bi₂O₂Se纳米带的AFM图像；由图可知，所得Bi₂O₂Se纳米带的厚度为641.5纳米；

图5为该实施例制备所得Bi₂O₂Se纳米带转移至硅片后的EDS mapping图像；由图可得，所得Bi₂O₂Se纳米带中Bi、O、Se三种元素均匀分布；

图10为该实施方案制备所得Bi₂O₂Se纳米带与对比例1中Bi₂O₂Se纳米片的伏安特性曲线对比图；由图可知，该实施方案所得Bi₂O₂Se纳米带的在图示偏置电压下暗电流为10^-10量级，相比对比例1所得Bi₂O₂Se纳米片低6个数量级。

实施例2

称取0.60克Bi₂O₃粉末和0.30克Bi₂Se₃粉末(重量比为2：1)，将Bi₂O₃粉末置于高温区中心，将Bi₂Se₃粉末置于高温区中心上游5厘米处，将1平方厘米的KMg₃(AlSi₃O₁₀)F₂(001)置于低温区距高温区中心10厘米处。通入氩气，流量为60sccm，维持管内压强为0.30托。将高温区温度升至620摄氏度，维持30分钟，将低温区温度升至480摄氏度，维持47分钟，进行化学气相沉积。沉积完毕后停止通入氩气，自然冷却至室温，将沉积有Bi₂O₂Se纳米带的KMg₃(AlSi3O₁₀)F₂(001)基底取出，即得到本发明提供的Bi₂O₂Se纳米带。

图6为该实施例制备所得Bi₂O₂Se纳米带阵列的SEM图像；由图可知，所得Bi₂O₂Se纳米带沿云母基底晶向生长，不同取向的纳米带之间的夹角为60度；所得单根Bi₂O₂Se纳米带的长度为20-80微米；

图7为该实施方案制备所得Bi₂O₂Se纳米带的AFM图像；由图可知，所得Bi₂O₂Se纳米带的厚度为294.8纳米。

实施例3

称取0.60克Bi₂O₃粉末和0.30克Bi₂Se₃粉末(重量比为2：1)，将Bi₂O₃粉末置于高温区中心，将Bi₂Se₃粉末置于高温区中心上游5厘米处，将1平方厘米的KMg₃(AlSi3O₁₀)F₂(001)置于低温区距高温区中心10厘米处。通入氩气，流量为60sccm，维持管内压强为3.0托。将高温区温度升至620摄氏度，维持50分钟，将低温区温度升至480摄氏度，维持66分钟，进行化学气相沉积。沉积完毕后停止通入氩气，自然冷却至室温，将沉积有Bi₂O₂Se纳米带的KMg₃(AlSi₃O₁₀)F₂(001)基底取出，即得到本发明提供的Bi₂O₂Se纳米带。

图8为该实施例制备所得Bi₂O₂Se纳米带阵列的SEM图像；由图可知，所得Bi₂O₂Se纳米带沿云母基底晶向生长，不同取向的纳米带之间的夹角为60度；所得单根Bi₂O₂Se纳米带的长度为10-50微米；多根Bi₂O₂Se纳米带连接可形成网状结构。

对比例1

称取0.6克Bi₂O₃粉末和0.6克Bi₂Se₃粉末(重量比1：1)，将Bi₂O₃粉末置于高温区中心，将Bi₂Se₃粉末置于高温区中心上游5厘米处，将1平方厘米的KMg₃(AlSi₃O₁₀)F₂(001)置于低温区距高温区中心10厘米处。通入氩气，流量为200sccm，维持管内压强为300托。将高温区温度升至680摄氏度，维持10分钟，将低温区温度升至480摄氏度，维持30分钟，进行化学气相沉积。沉积完毕后停止通入氩气，自然冷却至室温，将沉积有Bi₂O₂Se纳米带的KMg₃(AlSi₃O₁₀)F₂(001)基底取出，即得到对比例Bi₂O₂Se纳米片。

图9为该对比例制备所得Bi₂O₂Se纳米片的SEM图像；由图可知，所得Bi₂O₂Se纳米片为正方形片状，边长为10微米。

对比例2

称取0.45克Bi₂O₃粉末和0.30克Bi₂Se₃粉末(重量比为1.5：1)，将Bi₂O₃粉末置于高温区中心，将Bi₂Se₃粉末置于高温区中心上游5厘米处，将1平方厘米的KMg₃(AlSi₃O₁₀)F₂(001)置于低温区距高温区中心10厘米处。通入氩气，流量为200sccm，维持管内压强为400托。将高温区温度升至650摄氏度，维持30分钟，将低温区温度升至480摄氏度，维持47分钟，进行化学气相沉积。完毕后停止通入氩气，自然冷却至室温，将KMg₃(AlSi₃O₁₀)F₂(001)基底取出，发现基底上未沉积任何晶体结构。

对比例3

称取0.45克Bi₂O₃粉末和0.30克Bi₂Se₃粉末(重量比为1.5：1)，将Bi₂O₃粉末置于高温区中心，将Bi₂Se₃粉末置于高温区中心上游5厘米处，将1平方厘米的KMg₃(AlSi₃O₁₀)F₂(001)置于低温区距高温区中心10厘米处。通入氩气，流量为60sccm。将高温区温度升至650摄氏度，维持30分钟，将低温区温度升至480摄氏度，维持47分钟，进行化学气相沉积。在此过程中，管内气压由0.30托升至200托。完毕后停止通入氩气，自然冷却至室温，将KMg₃(AlSi₃O₁₀)F₂(001)基底取出，发现基底上虽存在块状晶体结构，但形貌不统一。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式只局限于这些说明。对本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种Bi₂O₂Se纳米带，其特征在于：所述Bi₂O₂Se纳米带长宽比为10-600:1，Bi₂O₂Se纳米带暗电流小于等于10^-10安。

2.根据权利要求1所述的Bi₂O₂Se纳米带，其特征在于：所述Bi₂O₂Se纳米带厚度为60纳米-800纳米。

3.根据权利要求1所述的Bi₂O₂Se纳米带，其特征在于：所述Bi₂O₂Se纳米带宽度为200纳米至3微米，长度为10-120微米。

4.根据权利要求1～3任一所述的Bi₂O₂Se纳米带，其特征在于：不同取向的纳米带之间的夹角为60度。

5.一种制备如权利要求1-4任一所述Bi₂O₂Se纳米带的方法，包括：以含有Bi元素和Se元素的化合物作为前驱体，以云母为生长基底，进行化学气相沉积，得到所述Bi₂O₂Se纳米带，所述前驱体为Bi₂O₃和Bi₂Se₃，两者的质量比为1.2-5:1；

进一步地，Bi₂O₃和Bi₂Se₃的质量比为1.5:4:1；

更进一步地，化学沉积时，沉积压强为0.10-45托。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：化学沉积时，高温区温度为620-680摄氏度，低温区温度为460-500摄氏度；沉积时间为20-60分钟；载气为氩气或氦气；载气流速为50-200sccm。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述云母基底为KAl₂(AlSi₃O₁₀)(OH)₂(001)或KMg₃(AlSi₃O₁₀)F₂(001)。

8.根据权利要求5或7所述的方法，其特征在于：所述云母基底尺寸为1平方厘米至5平方厘米。

9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述化学气相沉积在双温区管式炉中进行。

10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述Bi₂O₃粉末在高温区中心位置；按照载气流向，所述Bi₂Se₃位于高温区中心上游5-7厘米处；所述云母基底位于低温区中，距高温区中心10-15厘米处。

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