[发明专利]具有铁磁性B掺杂g-C3N4二维超薄纳米片的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于自旋电子学材料制备技术领域，具体涉及一种具有室温铁磁性B掺杂g-C₃N₄二维超薄纳米片的制备方法。

背景技术

近年来，石墨烯由于其优异的光电性能吸引了人们的广泛关注。研究表明具有锯齿形边缘的石墨烯纳米带表现出室温的铁磁性，在未来的自旋电子器件方面有潜在的应用。这一发现为寻找下一代自旋电子学材料开辟了新的方向。然而，由于石墨烯的零带隙及实验上实现其铁磁性的苛刻条件（要提供很高的面内电场）限制了其在自旋电子学方面的进一步应用。因此，人们在研究如何解决应用石墨烯材料所遇到的困难的同时，希望能够找到其它的类石墨烯替代材料来实现其在自旋电子学方面的应用。类石墨烯结构的氮化碳（g-C₃N₄）便是这样一种材料。在之前的一段时间里人们对g-C₃N₄的光催化性质进行了广泛的研究，而其铁磁性鲜有人研究。在室温下完美的g-C₃N₄不表现出铁磁性，这阻碍了其在自旋电子学器件中的进一步发展。幸运的是g-C₃N₄具有独特的多介孔结构使其能够很容易的引入外来原子，而化学掺杂是一种改变材料结构和引入磁性非常有效的方法。其实已经有研究者通过理论计算证明有很多方法可以在g-C₃N₄中引入磁性。例如，缺陷、氢化（Huanhuan, Qiu., Zhijun, Wang. & Xianlei, Sheng. Ferromagnetism and antiferromagnetism in hydrogenated g-C₃N₄ : A first-principles study. Phys. B. 421, 46-49 (2013)）、氟化等。最近，Meng 等人认为在三嗪结构g-C₃N₄的三嗪环中间掺杂非金属的B原子会使其表现出铁磁有序（Bo, Meng et al. Half-metallic and magnetic properties in nonmagnetic element embedded graphitic carbon nitride sheets. Phys. Chem. Chem. Phys. 17, 22136--22143 (2015)）。但是，这种理论上的理想情况在实验上实现是非常困难的，到目前为止也缺乏直接的实验证据来支持这些理论预测。由于B掺杂的g-C₃N₄纳米材料中只具有s/p电子，如果能够在实验上实现其铁磁性，则其弱的自旋-轨道耦合和长的自旋弛豫时间会为自旋的输运提供便利。因此，如何从实验室制备B掺杂的g-C₃N₄纳米材料并研究其铁磁行为是进一步实现其在自旋电子学器件中应用的前提。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中的缺点而提供一种制备具有室温以上铁磁性B掺杂g-C₃N₄二维超薄纳米片的方法，解决在半导体中由于电导失配和铁磁金属自旋极化率不高引起的极化电子注入率不高的问题，制备的B掺杂g-C₃N₄二维超薄纳米片具有铁磁性，且居里温度高于室温。

为解决本发明的技术问题采用如下技术方案：

一种具有铁磁性B掺杂g-C₃N₄二维超薄纳米片的制备方法，具体工艺为：

a)将三聚氰胺与氧化硼加入到酒精中，搅拌至氧化硼完全溶解，所述三聚氰胺与氧化硼的质量比为80 : 1-4；

b)将溶液放在80-100摄氏度的烘箱中蒸干得到充分混合的三聚氰胺与氧化硼前驱物，将前驱物研磨成粉；

c)将研磨成粉的前驱物放入瓷舟中，在管式炉氩气环境中从室温升温至500-550摄氏度，在500-550摄氏度保温2小时后升至600-650摄氏度，在600-650摄氏度保温2-4小时，关闭电源使其自然冷却至室温；

d)将产物取出用酒精清洗以去除未反应的氧化硼粉末，然后在水溶液中超声，超声1-10小时对样品进行剥离，最终得到B掺杂g-C₃N₄二维超薄纳米片。

所述步骤a中三聚氰胺与酒精的比为0.05-0.2g/ml。