[发明专利]一种二维超薄Fe3

说明书

本发明提供一种二维超薄非层状Fe₃O₄纳米片的制备方法及其在长波长红外光电探测器上的应用，属于纳米材料与器件制备技术领域。本发明采用化学气相沉积生长法，使用自然氧化的铁箔作为限域手段，通过调整生长温度和气流速率等关键因素，实现了高质量二维超薄Fe₃O₄纳米片的可控生长。基于本发明生长的Fe₃O₄纳米片所制备的光电探测器具有超高光响应率和超宽光谱响应，不仅在近紫外至长波长红外的宽光谱范围内具有较高光响应率，更是在长波长红外光电探测领域有了新的突破。

技术领域

本发明属于纳米材料与器件制备技术领域，具体涉及一种二维超薄非层状Fe₃O₄单晶纳米片的制备方法及其在长波长红外光电探测器上的应用。

背景技术

长波长红外(LWIR，long-wavelength infrared)光电探测器在空间通信、热成像、生物医学光学以及遥感等领域有着重要的应用价值，近来研究进展备受关注。长波长红外光电探测器的性能在很大程度上取决于由材料本身性质。目前，基于二维材料的红外光电探测器因其原子级超薄厚度优势以及在室温探测领域表现出的优异性能而受到越来越多的关注。例如，石墨烯具有宽光谱吸收、高载流子迁移率等优势，已有石墨烯纳米带、石墨烯异质结红外探测器等。有研究表明石墨烯量子点阵列在10.6μm处光响应率为0.4AW^-1，其较低的光响应率限制了其应用和发展；基于光电导效应的黑磷高性能红外探测器同样引起人们广泛关注，但黑磷对空气环境相当敏感，其器件的制备和测试过程必须在高纯惰性气体或真空中进行； MoS₂在红外波段也表现出了潜力，但是鲜有涉及到长波长红外。因此需要寻找一种基于新型二维材料的具有优异表现的长波红外探测器。

Fe₃O₄具有立方反尖晶石结构，预测具有半金属(Half-metal)性质(Rakshit,R.；Hattori, A.N.；Naitoh,Y.；Shima,H.；Akinaga,H.；Tanaka,H.,Three-DimensionalNanoconfineme nt Supports Verwey Transition in Fe₃O₄ Nanowire at 10nm LengthScale.Nano Lett 2019, 19(8),5003-5010.)，有研究表明其表面(例如(001)和(111)面)具有的半导体型窄带隙(Jordan,K.；Cazacu,A.；Manai,G.；Ceballos,S.F.；Murphy,S.；Shvets,I.V.,Scanning tunneling spectroscopy study of the electronic structureof Fe₃O₄surfaces.Physical Review B 2006,74(8))，该特性使得其光电探测器在中长波红外波段具有光电响应的潜力。但目前F e₃O₄材料的制备仅限于薄膜和纳米线的生长，例如，利用射频磁控溅射法或者脉冲激光沉积制备外延铁磁矿薄膜，3D纳米压印技术制备的Fe₃O₄纳米线。因此，如何运用简单、低成本的方法制备出高质量、结晶性好的二维超薄Fe₃O₄纳米片，并基于二维超薄Fe₃O₄纳米片实现长波长红外的光电探测成为亟待解决的问题。

发明内容

针对背景技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种二维超薄Fe₃O₄单晶纳米片的制备方法及其应用。本发明采用化学气相沉积法，使用自然氧化的铁箔作为限域手段，通过调整反应温度和气流速率，实现了高质量二维超薄Fe₃O₄单晶纳米片的可控生长。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：