[发明专利]一种黑磷单晶线的制备方法

说明书

本发明公开一种黑磷单晶线的制备方法，该方法涉及大尺寸单晶材料生长方面。制备方法是将磷源、催化剂按照一定质量比例加入密封反应器中，再进行烧结，最终得形貌均一的黑磷单晶线。本方法获得的黑磷单晶线纵向尺寸可达厘米级，径向尺寸在5～100um，具有一定的柔性，且成功实现分散成核生长，黑磷单晶线之间不互相粘连，有利于获得高质量无损单晶黑磷单晶线。

技术领域

本发明涉及新型二维单晶材料的生长，具体涉及一种纵向尺寸长、大长径比的柔性黑磷单晶线材料的制备方法。

背景技术

黑磷这一材料虽然较早就被人类发现，但它直到2014年才引起研究者的关注并同时在科研界和产业界掀起一股研究热潮。黑磷作为一个新型二维材料，是直接带隙单质半导体，带隙宽度会随层数发生变化。同时黑磷具有高载流子迁移率、高理论电池比容量、好的机械性能，这些优点使其在光电催化、场效应晶体管、能源存储、柔性器件等领域具有巨大的应用前景。黑磷相对其它磷的同素异形体热力学更加稳定，在常温常压下为固体，无毒，便于运输，易于加工成高附加值磷化工成品，被认为是磷化工的未来。

常用制备黑磷的方法包括高压法、铋重结晶法、机械球磨法和化学气相输运法。前两种方法存在设备昂贵和原料有毒等问题，不利于大规模制备黑磷；机械球磨法得到的黑磷结晶性差且往往是纳米片状结构。经典的化学气相输运法无法有效调控黑磷晶体生长形态，晶体经常长成簇状，无法得到单根高质量无损单晶黑磷。

目前尚没有相关专利文献报道过能够有效调控黑磷晶体长成线状结构的方法。黑磷作为一个半导体，且本身结构具有各向异性，研究人员充分利用黑磷这一特性设计各种传感器、光电器件等。线状结构的黑磷晶体具有明显的择优取向生长，在某一方向上黑磷的载流子迁移率、热传导、电传导等物理性质会有较大的改变，对外界刺激(电、光、磁、热等)也会产生不同的响应，有利于拓宽黑磷的应用面，并进一步提高其性能。

发明内容

本发明的目的是，提供一种有效调控黑磷生长成具有特定线状结构的制备方法。黑磷单晶线的成核生长方式明显不同于经典化学气相输运法制备的黑磷晶体，黑磷单晶线是单点成核，单晶线互不粘连，而经典化学气相输运法制备的黑磷晶体成核点分散，形态往往形成团状或簇状。该方法得到的黑磷单晶线形貌均一、纵向尺寸可达厘米级。

本发明提供一种黑磷单晶线的制备方法，包括以下具体步骤：

1)将磷源、催化剂按照一定质量比例加入到密封反应器中；

2)把反应器置于加热装置在一定温度下烧结一定时长，最终得到黑磷单晶线。

具体的，所述磷源为红磷或黄磷，原料状态优选颗粒或块状。

具体的，所述催化剂为单一催化剂或复合催化剂。

进一步的，所述单一催化剂为Sn24P19.3I8三元化合物，复合催化剂是由锡磷化合物和输运剂按照一定质量比例组成，其中锡磷化合物为Sn4P3、Sn3P4、SnP或SnP3，输运剂为碘单质或固体碘化物。

进一步的，所述复合催化剂中锡磷化合物和输运剂的质量比例为(30～1):1。

具体的，所述磷源与催化剂的质量比为(300～10):1。

具体的，所述密封反应器为陶瓷管、不锈钢管或熔封的石英管。

具体的，所述加热装置为单温区管式炉、多温区(双温区及以上)管式炉、马弗炉、箱式炉、微波炉或单晶炉中的一种。

具体的，所述烧结温度为450～530℃，烧结时长为2～168h。

上述中任一项所述黑磷晶体线的制备方法得到的黑磷单晶线，可以应用于柔性器件、传感器、微电极、光电催化、电池和晶体场效应管中。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：