[发明专利]超薄纳米片半导体材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及固体无机材料制备领域，特别涉及超薄纳米片半导体材料及其制备方法和应用。

背景技术

超薄纳米片半导体材料是一种重要的热电材料，它在光学、光电子科学及其器件，以及能源转换与利用等方面有着重要的应用前景，例如超薄的Bi₂Se₃和Bi₂Te₃等半导体材料具有比同类块材材料更大的热电转换效率，并且还可以形成二维拓扑绝缘体，且当超薄的Bi₂Se₃和Bi₂Te₃等半导体材料与TaSe₂和TaTe₂形成超格子结构时还可以形成具有较高临界温度的超导体。

近年来，人们发现超薄纳米片半导体材料除了具有出众的热电效应，还显示出良好的光热效应。在光照条件下，超薄纳米片半导体材料有电子吸收和晶格振动吸收两种吸收机制，还存在着受热激发效应影响而形成的自由载流子吸收机制，且该载流子吸收会随着波长和载流子密度的改变而发生变化。同时，在光波的作用下，超薄纳米片半导体材料还会发生电子极化、离子极化、固有偶极子的取向极化和界面极化等现象，这些极化在一定的条件下又可以发生复合而生热，实现光热转换。

常用的半导体材料的合成方法可分为固相法、水热溶剂法以及高温气相法。固相法合成半导体材料的主要手段是将合成原料按照一定计量比密封于石英管中，然后在马弗炉中高温煅烧而成。此方法的特点是反应快，易于大量制备，其缺点是制备出的半导体材料的尺寸大，常为宏观块材而没有微观纳米尺寸效应。水热溶剂法主要操作手段是在水或其它溶剂中添加合成原料，然后在反应釜中通过水热或者溶剂热反应得到纳米尺度的半导体材料。该方法较为简便，且能制备出多种形貌的纳米级半导体材料，其不足在于所合成的纳米材料的厚度都至少为几十纳米。高温气相法包括气相沉积和分子束外延等方法，其优点在于能够合成厚度极低的超薄纳米片半导体材料，然而其缺点在于超薄纳米片结构的半导体材料的产率非常低，而且合成所需要的设备和条件甚为复杂，且投入高昂。

发明内容

本发明是为了克服上述现有技术中存在的缺陷提出的，其所解决的技术问题是提供一种制备简便的超薄纳米片半导体材料，及其制备方法和应用。

为此，本发明提供了一种超薄纳米片半导体材料的制备方法，其包括如下步骤：

（1）将第一高沸点有机溶剂加热，得到第一溶液；

（2）将A的前驱源A_nB_m和R的前驱源R_jV_k在第二高沸点有机溶剂中加热溶解，得到第二溶液，其中A为金属元素Bi、Mo、W、Sb及Cu中的一种，B为苯基、羰基、环戊二烯基、乙酰丙酮、硝酸根及卤族元素Cl和Br中的一种，R为氧族元素S、Se及Te中的一种，V为苯基或苄基，n=1，1≤m≤6，1≤j≤2，k=2；

（3）将所述第一溶液和所述第二溶液混合后搅拌并保温一段时间，即得到超薄纳米片半导体材料。

优选地，所述步骤（1）中加热的温度为200～320℃，且在加热的过程中在惰性气体保护下搅拌所述第一高沸点有机溶剂。

优选地，所述第一高沸点有机溶剂为油胺、油酸、二苄胺、二苄醚、十八烯和二异辛胺中的一种或几种。

优选地，所述第二溶液中A的前驱源的浓度为0.01～1mol/L，所述第二溶液中R的前驱源的浓度为0.02～2mol/L。

优选地，所述第二高沸点有机溶剂为油胺、油酸、二苄胺、二苄醚、十八烯和二异辛胺中的一种或几种。

优选地，所述步骤（2）中加热的温度为50～200℃，且在加热的过程中在惰性气体保护下搅拌所述第二高沸点有机溶剂。

优选地，所述第一高沸点有机溶剂和所述第二高沸点有机溶剂的体积比为3～50:1。

优选地，所述步骤（3）中保温的温度为200～320℃，搅拌的时间为1～180min。

本发明还提供一种由上述任一项所述方法制备的超薄纳米片半导体材料，所述超薄纳米片半导体材料的厚度为1～50nm。

本发明进一步提供了上述超薄纳米片半导体材料在半导体器件、太阳能电池或太阳能集热装置中的应用。