[发明专利]超硬纯同位素10

说明书

本发明属于磷化硼材料制备技术领域，具体涉及超硬纯同位素¹⁰BP半导体微纳米线的制备，本发明利用VLS生长机制成功合成了超长超硬同位素纯¹⁰BP微纳米线，克服了硼的高熔点与磷的低升华温度之间的热力学矛盾。具体是以镍粉为催化剂，以富含红磷和同位素的¹⁰B粉为前驱体，合成得到超长超硬¹⁰BP微纳米线。与在较低温度下合成的超硬材料相比，¹⁰BP微纳米线表现出优异的性能，其长度达到1.1cm，硬度相当高，达到了40GPa的超硬阈值(41GPa)。此外，将¹⁰BP微纳米线集成到探测器中，器件表现出良好的光响应和压电特性，证明了该材料在光电、应变传感和固态半导体核辐射检测中的应用前景。

技术领域

本发明属于磷化硼材料制备技术领域，具体涉及超硬纯同位素¹⁰BP半导体微纳米线的制备。

背景技术

立方磷化硼(BP)具有高温稳定性，高机械硬度，高导热系数，高迁移率和化学惰性，这使得其有望被应用在极端环境下工作的先进电子器件领域。例如，由于BP具有高的热中子俘获截面使其在热中子计数器和中子探测器中具有广阔的应用前景；同时，由于其具有超低的空穴有效质量和较高的空穴迁移率而有望成为一种高效的非氧化物p型透明导电层。在最近的研究中，BP已被合成并被用于演示同质结光电器件以及高导热器件，展现出了良好的性能。此外，BP中普遍存在共价键合状态，这使它具有优异的力学性能。

目前，关于BP的研究大多聚焦在天然丰度的硼(^natB)元素上，其由19.9％的¹⁰B和80.1％的¹¹B组成。同位素原子核质量的不同会造成元素之间物化性质存在一定的差别。¹⁰B的热中子捕获截面约为3840bars，被认为是一种很有前途的中子探测候选对象。还有研究表明，相比于混合同位素，由纯净同位素B构成的半导体(如立方BP和立方BN)的热导率显著提高。然而，由于B的熔点过高，P在低温下又易升华，使BP晶体的获得存在挑战。因此，研究纯净同位素B的半导体具有重大意义，有必要研究一种纯¹⁰BP微纳米线的制备方法。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种超硬纯同位素¹⁰BP半导体微纳米线的制备方法，采用该方法成功地合成了长度为厘米级的超长、超硬同位素纯¹⁰BP微纳米线，该¹⁰BP微纳米线硬度高，光响应和压电特性好，在高导、光电、应变传感和超硬半导体领域可能具有广泛的应用前景。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种超硬纯同位素¹⁰BP半导体微纳米线的制备方法，即利用金属Ni做催化剂，采用气-液-固(VLS)生长的高温熔盐法在真空下将原料¹⁰B、Ni、P的混合物生长为同位素富集的超硬纯同位素¹⁰BP半导体微纳米线。

本发明利用金属Ni做催化剂，采用气-液-固生长机理的高温熔盐法合成，具体生长机理为：首先，在真空加热过程中，红磷粉末升华，最终在590℃以上形成气态。然后当温度不断升高(温度1000℃)，金属镍与单质¹⁰B形成共晶，从而降低Ni和¹⁰B的熔点，在高于1100℃的温度下液化，形成Ni-B液滴。当温度高于1100℃时，气态P可以扩散到Ni微纳米粒子中形成¹⁰BP的原子核。而由于液滴中B-P的过饱和作用，通过缓慢简单的冷却过程连续生长¹⁰BP的原子核，形成超长的微/纳米线。单晶生长结束后再采用快速退火的方法，减少单晶缺陷，最终制备得到超硬纯同位素¹⁰BP半导体微纳米线。