[发明专利]一种NbSe2

说明书

本发明公开了一种NbSe₂单晶层状纳米片的合成装置及其合成方法。本发明通过以载气控制气流，精确控制生长环境氛围，即便在气相输运过程中载气源参与反应，也能合成纯净的NbSe₂单晶层状纳米片，全部过程只需要使用封闭石英管在水平管式炉中生长，时间、经济成本大大降低，制备方法简单；表征结果均良好，实际样品可随意取用，将产率效率提升数个数量级；控制因素主要依赖于生长温度与时间、源与沉积衬底的间距、载片的形状结构、退火时间等，参数易于控制，重复性良好；本发明的方法能够制备出大量NbSe₂单晶层状纳米片，待通过进一步的条件控制掺杂浓度后将对NbSe₂纳米线乃至其他所有过渡金属二硫族化合物纳米结构的生长提供新方案，本发明具有重要参考意义。

技术领域

本发明涉及无机纳米材料制备领域，具体涉及一种二硒化铌NbSe₂单晶层状纳米片的合成装置及其合成方法。

背景技术

当传导电子形成库伯对并凝聚成宏观相位相干量子态时，样品材料中将出现超导现象。相对于传统的超导特征，具有小于相位相干长度尺寸的超导系统表现出与体超导不同的行为，比如，一维超导体系中由热涨落或宏观量子隧道效应会引起量子相位滑移，二维超导薄膜中可以观察到外加磁场、电荷密度和杂质掺杂调制下的超导绝缘相变(SIT)，为量子相变的研究提供一种模型。近年来在超薄超导膜中发现了低温下的量子金属态，在此之前由于电子局域化，这并未在二维材料中引起足够的关注。这些准二维或一维超导体系是基础物理以及潜在技术应用都非常感兴趣的方向，因此，合成高质量的超导材料纳米结构具有重要的意义。

层状过渡金属二硫族化合物NbSe₂是研究最多的材料之一，其在低温下同时表现出电荷密度波CDW(转变温度T～33K)和超导电性(体态临界温度Tc_bulk～7.2K)。NbSe₂属于第II类超导体，具有六方晶体结构，晶格常数a和c分别为a＝0.3nm，c＝1.3nm。每个NbSe₂层分为上下两层Se原子和中间层的Nb原子，形成6种不同的Se-Nb键；不同层沿c方向堆叠，由范德瓦尔斯作用力耦合。体态NbSe₂的面内相干长度约为9nm磁场穿透深度约200nm。

对于NbSe₂纳米结构的材料合成上，制备超洁净单晶二维NbSe₂最常用技术是以石墨烯为代表的机械剥离方法，将样品的厚度控制在单个或几个原子层的水平。对于单晶二维-NbSe₂而言，一种简便的方法是通过控制Se还原NbSe₃转化成超导NbSe₂纳米结构，另一种方法是将电子束光刻和反应性等离子体刻蚀结合，从NbSe₂超薄片上机械剥离大块单晶。但是，产率和可控形态多样性一直是此类方法的瓶颈，处理步骤繁复也是制约高效生长的重要因素。到目前为止，尚未发表直接生长高质量、高产率和可控多样的NbSe₂方法。

目前制备NbSe₂纳米片最流行的方法是使用Se粉末源和Nb粉末源合成NbSe₂单晶块材，然后由机械剥离获得纳米片，由于Se和Nb在高温下同样会合成三硒化铌NbSe₃且Nb单质和合成的NbSe₂极易被氧化，由此催生了使用溶液法、卤素载气中间反应甚至有机物反应等方法，不过目前所报道过的此类方法同最流行方法一样，不能直接得到NbSe₂纳米片，通常在制备过程中得到多种中间态或是使用多种方法，过程较为繁琐；其他使用碘载气的方法大多需要在制备过程中通入载气以控制气流，但由于高纯碘具有非常强烈的腐蚀性，常常会腐蚀设备连接端口等位置导致设备损伤。

采用现有的制备方法得到的NbSe₂纳米片产率普遍较低，即便采用复杂过程所得到的高质量纳米片仍需要逐一甄别。

发明内容