[发明专利]钒掺杂二硫化钨纳米片材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种钒掺杂二硫化钨纳米片材料及其制备方法，属于无机材料技术领 域。

背景技术

目前，近年来,过渡金属硫化物MS₂因其特殊的层状结构引起越来越多的研究人员 重视，成为非常热门的材料种类。MS₂材料具有良好的光、电、润滑、催化等性能，在 燃料电池、太阳能电池、发光二极管、传感器、锂离子电池、超级电容器、温差电敏器 件、润滑剂和存储器等方面应用非常广泛。二硫化钨(WS₂)作为其中一种典型的过渡金 属硫化物半导体材料一直受到了人们的关注。WS₂化学稳定性和热稳定性良好,比表面 积大,表面活性高,具有独特的物理和化学特性，在催化、润滑、电化学储锂等方面都 有着广泛的应用前景。由于WS₂材料在光电导、发光、生物传感器件、场效应管和光催 化领域有着潜在的应用，因此它的能带结构对于其应用有着直接的影响。掺杂是半导体 器件或集成电路工艺中最重要的工艺环节之一，通过杂质种类的筛选和掺杂水平的调 节，实现半导体光电特性的可控。最近，人们研究发现在非磁性的半导体材料中掺入少 量3d族过渡金属元素或4f族稀土金属元素将获得具有铁磁性能的新型功能材料，这种 新型半导体材料被称为稀磁半导体(DMS)。由于杂质原子的引入，改变了原有半导体的 微观机制，使其在电、磁等方面展现出极其独特的性质，并且由于它兼有半导体和铁磁 的性质，即在一种材料中同时应用电子电荷和自旋两种自由度，则易于将半导体的信息 处理与磁性材料的信息存储功能融合在一起，有望在自旋电子器件中发挥重要的作用。 正是受到掺杂效应所产生的如此重要的影响，导致人们最近对掺杂改善半导体材料的电 子结构和性质进行了广泛的理论计算研究。如张昌华等采用基于密度泛函理论的第一性 原理，计算研究了Te掺杂单层MoS₂的电子结构与光电性质；张芳等通过计算研究发现， Cr掺杂时WS₂能带结构由直接带隙变为间接带隙，且带隙宽度随着掺杂量的增加而逐渐 减小；Chao等的研究表明，经Mn掺杂的单层MoS₂在室温下可以获得稳定性良好的铁 磁性能；WeiJianwei等研究了V掺杂对单层WS₂的电学和光学性能的影响。

目前国内外对掺杂改善半导体材料的性能方面的研究主要集中在理论计算上，但也 有少量的研究集中在材料的制备及相关应用性能上。如YadgarovL等制备了铼掺杂 IF-MoS₂纳米颗粒，并对其摩擦学性能进行了研究。中国科学研究院兰州化学物理研究 所的刘维民教授研究团队针对掺杂对WS₂薄膜在真空或潮湿空气条件下的摩擦学性能 展开了一系列的研究，研究了Cu、Ag和Ni三种不同的金属元素掺杂后对WS₂薄膜的摩 擦学性能的影响，实验结果发现掺杂能显著提高WS₂薄膜的减摩和抗磨性能，他们所采 用的制备方法是直接将掺杂的金属材料与WS₂通过溅射的方法形成薄膜。基于金属掺杂 WS₂纳米材料的研究现状，我们对V掺杂WS₂纳米材料的制备方法进行了研究，设计了 一种新的制备方法及纳米材料。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种钒掺杂二硫化钨纳米 片材料，它不仅工艺简单、成本低，而且能够显著提高其制备的薄膜的减摩和抗磨性能。

本发明解决上述技术问题采取的技术方案是：一种钒掺杂二硫化钨纳米片材料的制 备方法，该方法的步骤中含有：

(1)将单质钒粉、黄钨酸和硫脲按摩尔比为(0.25-0.5):1:(50-100)配比混合后研磨；

(2)然后将研磨后的粉末经过恒温处理；

(3)再冷却得到钒掺杂二硫化钨纳米片材料。

进一步，在所述的步骤(1)中，研磨时间为10～20min。

进一步，在所述的步骤(2)中，恒温处理的温度为900℃～1100℃。

进一步，在所述步骤(2)中，恒温处理的时间为30～60min。

进一步，在所述步骤(2)中，将研磨后的粉末装入瓷舟；开启管式炉，将瓷舟推 入管式炉的中央热区位置并恒温处理。