CN114561687B - 一种S掺杂MnBi2Te4单晶的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了S掺杂MnBi2Te4单晶的制备方法,该方法包括以下三个步骤:①按照原子混合比例制备α‑MnTeS多晶样品;②按照化学计量比混合制备Bi2Te3单晶样品;③将α‑MnTeS多晶样品和Bi2Te3单晶样品粉碎成粉末作为前驱体材料,再将二者按照1:1的摩尔比混合,加热至950℃并保温,然后以一定的速率缓慢冷却至580℃‑600℃后冷却淬火,从而获得高质量的S掺杂MnBi2Te4单晶。本发明提供的制备方法工艺简单,相比于其它方法所需要的时间短、成本价低。
Description
技术领域
本发明属于材料技术领域,尤其涉及一种S掺杂MnBi2Te4单晶的制备方法。
背景技术
反铁磁拓扑绝缘体由于其固有的磁性和拓扑性质,使其成为实现相对高温量子反常霍尔效应的潜在材料,MnBi2Te4是一种具有自发反铁磁(AFM)磁化的本征磁性拓扑绝缘体(TI),然而,由于难以制备成分和厚度可控的高质量晶体,这种新型材料的研究进展受到严重阻碍,因此研究并提高制备条件具有重要意义。而S掺杂的MnBi2Te4晶体在一定程度上具有更好的性能。
发明内容
鉴于以上原因,本发明提供一种S掺杂MnBi2Te4单晶的制备方法。
为了实现上述目的,本发明采用的技术方案为:
一种S掺杂MnBi2Te4的单晶制备方法,包括以下步骤:
(1)制备α-MnTeS多晶样品:将纯度为99.999%的S粉、99.9%的Mn粉和99.99%的Te粉按照原子比称重配料,在充满氩气的环境下进行研磨,之后压成一个小圆片放入坩埚并密封在石英管中,石英管在管式炉中加热到690-710℃并保温一定时间;
(2)制备Bi2Te3单晶样品:将纯度为99.99%的Bi粉和99.99%的Te粉按照化学计量比称重配料,在充满氩气的环境下进行研磨,之后压成一个小圆片放入坩埚并密封在石英管中,石英管在管式炉中加热到850-860℃并进行一次保温,之后再以一定的速率降温到530-550℃进行二次保温;
(3)制备S掺杂的MnBi2Te4单晶:将α-MnTeS多晶样品和Bi2Te3单晶样品在充满氩气的环境下粉碎成粉末作为前驱体,再将二者按照1:1的摩尔比混合,在一定时间加热至920-960℃并保温,然后以一定的速率缓慢冷却至580℃-600℃后冷却淬火。
步骤(1)中Mn粉、Te粉、S粉按照1:0.90-1:0-0.10的原子比进行配料。
步骤(2)中,Bi粉和Te粉按照2:3的化学计量比进行配料。
步骤(1)的保温时间为23-25h;步骤(2)的一次保温时间为19-21h,二次保温时间为100-120h;步骤(3)的保温时间为12-14h。
步骤(3)中,以10-15℃/h的速率冷却。
本发明以Bi粉、Te粉、Mn粉和S粉为原料,通过溶剂生长法,制备出结晶性能好、大块的S掺杂MnBi2Te4单晶。该方法不仅工艺简单、时间周期短,而且能够制备出高质量的单晶。
附图说明
图1为本发明实施例2制备的S掺杂MnBi2Te4单晶样品的XRD衍射结果。
图2为本发明实施例1、实施例2、实施例3制备的S掺杂MnBi2Te4单晶样品的粉末XRD衍射结果。
图3为本发明实施例1制备的S掺杂MnBi2Te4单晶样品的磁性测试结果。
图4为本发明实施例1制备的S掺杂MnBi2Te4单晶样品Te-3d的光电子能谱图。
图5为本发明实施例1制备的S掺杂MnBi2Te4单晶样品Bi-4f的光电子能谱图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
(1)在充满氩气的环境中将Mn粉、Te粉按照1:1的原子比混合研磨至均匀,把混合均匀的粉末压成一个小圆片,放在坩埚中并密封在石英管中,在管式炉中加热到700℃并保温24h,得到α-MnTe多晶。
(2)在充满氩气的环境中将Bi粉、Te粉按照2:3的化学计量比混合研磨至均匀,把混合均匀的粉末压成一个小圆片,放在坩埚中并密封在石英管中,在管式炉中加热到850℃并保温20h,之后再以一定的速率降温到550℃保温120h,得到Bi2Te3单晶。
(3)在充满氩气的环境中将α-MnTe多晶和Bi2Te3单晶粉碎成粉末作为前驱体,再将二者按照1:1的摩尔比混合研磨均匀,把混合均匀的粉末压成一个小圆片,放在坩埚中并密封在石英管中,在管式炉中加热至950℃保温12,然后以10℃/h速率缓慢冷却至580℃后冷却淬火,得到MnBi2Te4单晶样品。
实施例2
(1)在充满氩气的环境中将Mn粉、Te粉、S粉按照1:0.95:0.05的原子比混合研磨至均匀,把混合均匀的粉末压成一个小圆片,放在坩埚中并密封在石英管中,在管式炉中加热到700℃并保温一天,得到α-MnTeS多晶。
(2)在充满氩气的环境中将Bi粉、Te粉按照2:3的化学计量比混合研磨至均匀,把混合均匀的粉末压成一个小圆片,放在坩埚中并密封在石英管中,在管式炉中加热到850℃并保温20h,之后再以一定的速率降温到550℃保温120h,得到Bi2Te3单晶。
(3)在充满氩气的环境中将α-MnTeS多晶和Bi2Te3单晶粉碎成粉末作为前驱体,再将二者按照1:1的摩尔比混合研磨均匀,把混合均匀的粉末压成一个小圆片,放在坩埚中并密封在石英管中,在管式炉中加热至950℃保温12,然后以10℃/h速率缓慢冷却至580℃后冷却淬火,得到S掺杂MnBi2Te4单晶样品。
实施例3
(1)在充满氩气的环境中将Mn粉、Te粉、S粉按照1:0.92:0.08的原子比混合研磨至均匀,把混合均匀的粉末压成一个小圆片,放在坩埚中并密封在石英管中,在管式炉中加热到700℃并保温一天,得到α-MnTeS多晶。
(2)在充满氩气的环境中将Bi粉、Te粉按照2:3的化学计量比混合研磨至均匀,把混合均匀的粉末压成一个小圆片,放在坩埚中并密封在石英管中,在管式炉中加热到850℃并保温20h,之后再以一定的速率降温到550℃保温120h,得到Bi2Te3单晶。
(3)在充满氩气的环境中将α-MnTeS多晶和Bi2Te3单晶粉碎成粉末作为前驱体,再将二者按照1:1的摩尔比混合研磨均匀,把混合均匀的粉末压成一个小圆片,放在坩埚中并密封在石英管中,在管式炉中加热至950℃保温12,然后以10℃/h速率缓慢冷却至580℃后冷却淬火,得到S掺杂MnBi2Te4单晶样品。
实施例4
(1)在充满氩气的环境中将Mn粉、Te粉、S粉按照1:0.90:0.10的原子比混合研磨至均匀,把混合均匀的粉末压成一个小圆片,放在坩埚中并密封在石英管中,在管式炉中加热到700℃并保温一天,得到α-MnTeS多晶。
(2)在充满氩气的环境中将Bi粉、Te粉按照2:3的化学计量比混合研磨至均匀,把混合均匀的粉末压成一个小圆片,放在坩埚中并密封在石英管中,在管式炉中加热到850℃并保温20h,之后再以一定的速率降温到550℃保温120h,得到Bi2Te3单晶。
(3)在充满氩气的环境中将α-MnTeS多晶和Bi2Te3单晶粉碎成粉末作为前驱体,再将二者按照1:1的摩尔比混合研磨均匀,把混合均匀的粉末压成一个小圆片,放在坩埚中并密封在石英管中,在管式炉中加热至950℃保温12h,然后以10℃/h速率缓慢冷却至580℃后冷却淬火,得到S掺杂MnBi2Te4单晶样品。
参见图1,为本发明实施例2制备的S掺杂MnBi2Te4单晶样品的XRD衍射结果。
参见图2,为本发明实施例1、实施例2和实施例3制备的S掺杂MnBi2Te4单晶样品的粉末XRD衍射结果,可以发现衍射图没有其它杂峰存在,说明生长出了高质量的单晶样品。
参见图3,为本发明实施例1制备的S掺杂MnBi2Te4单晶样品的M-T曲线,可以发现样品的转变温度在25K附近。
参见图4,为本发明实施例1制备的S掺杂MnBi2Te4单晶样品Te-3d的光电子能谱图。可以发现Te3d存在两个主峰P1(572.2eV)、为Bi-Te键作用,P3(582.6eV)、为Mn-Te键作用;两个小峰P2(576.0eV),P4(586.3eV),均为Te-O键作用。
参见图5,为本发明实施例1制备的S掺杂MnBi2Te4单晶样品Bi-4f的光电子能谱图。可以发现Bi4f存在两个主峰P1(157.8eV),P3(163.1eV),作用化合键为Bi-Te键。而P2(159.2eV),P4(164.4eV)是在空气被氧化后出现的Bi-O键作用。
Claims (4)
1.一种S掺杂MnBi2Te4单晶的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)制备α-MnTeS多晶样品:将Mn粉、Te粉、S粉按照1:0.90-1:0.05-0.10的原子比称重配料,在充满氩气的环境下进行研磨,之后压成一个小圆片放入坩埚并密封在石英管中,石英管在管式炉中加热到690-710℃并保温一定时间;
(2)制备Bi2Te3单晶样品:将Bi粉和Te粉按照2:3的化学计量比称重配料,在充满氩气的环境下进行研磨,之后压成一个小圆片放入坩埚并密封在石英管中,石英管在管式炉中加热到850-860℃并进行一次保温,之后再以一定的速率降温到530-550℃进行二次保温;
(3)制备S掺杂的MnBi2Te4单晶:将α-MnTeS多晶样品和Bi2Te3单晶样品在充满氩气的环境下粉碎成粉末作为前驱体,再将二者按照1:1的摩尔比混合,加热至920-960℃并保温,然后以一定的速率缓慢冷却至580℃-600℃后冷却淬火。
2.根据权利要求1所述的一种S掺杂MnBi2Te4单晶的制备方法,其特征在于,所述S粉的纯度为99.999%,Mn粉的纯度为99.9%,Te粉的纯度为99.99%,Bi粉的纯度为99.99%。
3.根据权利要求1所述的一种S掺杂MnBi2Te4单晶的制备方法,其特征在于,步骤(1)的保温时间为23-25h;步骤(2)的一次保温时间为19-21h,二次保温时间为100-120h;步骤(3)的保温时间为12-14h。
4.根据权利要求1所述的一种S掺杂MnBi2Te4单晶的制备方法,其特征在于,步骤(3)中,以10-15℃/h的速率冷却。
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