一种超薄二维CoO单晶纳米片及制备方法、应用

一种超薄二维coo单晶纳米片及制备方法、应用
技术领域
1.本发明属于二维纳米材料技术领域，尤其涉及一种超薄二维coo单晶纳米片及制备方法、应用。


背景技术：

2.石墨烯的发现掀起了一股研究新型二维材料的热潮，当厚度减少到原子级时，二维材料展现出优异的物理和化学性质，使其在光子、电子、信息、能源和环境等众多领域具有广阔的应用前景。目前，非层状二维材料因其种类丰富、应用价值广而备受关注，然而，不同于层状结构二维材料，非层状二维材料由于无层间范德华力，强共价键结合使其很难通过机械剥离或化学气相沉积（cvd）等方法制备。因此，如何实现非层状二维材料单晶纳米片的生长具有重要意义。
3.氧化亚钴(coo)是一种宽带隙p型半导体材料，由于其独特的电学、光学、磁学等性质，在光催化、气敏传感器、超级电容器及锂离子电池等领域具有广泛应用价值。目前，研究报道了采用水热、溶剂热等方法制备了二维coo纳米片，但是这些方法很难获得晶体质量高、超薄的纳米片，化学气相沉积（cvd）方法具有设备简单、样品结晶质量高、产率大等优点，是实现二维材料可控制备的首选方法。然而，非层状coo纳米片表面存在大量悬挂键，各向异性生长受阻，很难在实验上采用cvd方法获得超薄coo纳米片。因此，如何实现超薄二维coo单晶纳米片的生长是目前亟待解决的问题。


技术实现要素：

4.本发明实施例的目的在于提供一种超薄二维coo单晶纳米片的制备方法，旨在解决上述背景技术中存在的问题。
5.本发明实施例是这样实现的，一种超薄二维coo单晶纳米片的制备方法，包括以下步骤：采用常压cvd法，以六水氯化钴作为前驱体置于管式炉中，以蓝宝石或云母作为衬底；向管式炉中通入ar，将管式炉的中心温度升温至600-800℃，保温，保温结束后，冷却至室温，取出衬底，获得超薄二维coo单晶纳米片。
6.优选地，以六水氯化钴作为前驱体置于管式炉中的步骤具体为：将六水氯化钴颗粒放入干净的磁舟中，并将其置于管式炉的加热中心。
7.优选地，以蓝宝石或云母作为衬底的步骤中，所述衬底置于管式炉的下游，距加热中心约8-14cm。
8.优选地，以蓝宝石作为衬底时，蓝宝石衬底为单面抛光（100）面，其总厚度为180-220μm。
9.优选地，以云母作为衬底时，云母衬底为新鲜剥离的云母，其总厚度为20-50μm。
10.优选地，向管式炉中通入ar的步骤中，所述ar流速为20-50sccm。
11.优选地，将管式炉的中心温度升温至600-800℃的步骤中，所述升温速率为20-30℃/min。
12.本发明实施例的另一目的在于提供一种上述超薄二维coo单晶纳米片的制备方法制备得到的超薄二维coo单晶纳米片。
13.本发明实施例的又一目的在于提供一种上述超薄二维coo单晶纳米片在制备光电探测器中的应用。
14.本发明实施例提供了一种在常压下采用cvd合成二维coo单晶纳米片的方法，该制备方法工艺简单，对样品厚度和尺寸可控良好，且制备的coo纳米片单晶性好，具体如下：采用简单化的常压化学气相沉积法，以单温区管式炉为反应装置，以廉价的六水氯化钴为单一反应物源，简化了合成步骤，易于调控，原料简单，易获得，成本低，一步化学反应速度快，稳定性好，且能生长出规则纳米片，产量大；coo纳米片的生长是一步化学反应过程，cocl2蒸汽和环境中的o2的化学反应直接形成气相中的coo，随后扩散并进一步结晶，使用特定的水合物前驱体（六水氯化钴），水合物用于在预设时间输送一定量的水蒸气，以蓝宝石或云母为衬底，云母是原子光滑、无悬空键的基底，具有较小扩散势垒能，其对于前体的移动阻力较小，有助于前体附着在样品边缘，加速纳米片的横向而非垂直生长，本发明实施例通过水分子的钝化、熔点较低的过渡金属氯化物前驱体和特定的衬底促进了超薄coo纳米片的合成；通过改变反应物的质量、载气流速、反应时间等工艺参数，可以实现coo单晶纳米片尺寸和厚度的可控生长；通过优化的cvd生长工艺参数，制备出的二维coo单晶纳米片表面平整，结晶度好，为其在电子、光电子和自旋电子器件领域的潜在应用奠定基础。
附图说明
15.图1为本发明实施例所采用的化学气相沉积装置的结构示意图；图2为本发明实施例1制备得到的样品的om图；图3为本发明实施例1制备得到的样品的afm图；图4为本发明实施例1制备得到的样品的xrd图；图5为本发明实施例1制备得到的样品的raman图；图6为本发明实施例1制备得到的样品的xps图；图7为本发明实施例2制备得到的样品的om图；图8为本发明实施例3制备得到的样品的om图；图9为本发明实施例4制备得到的样品的om图；图10为本发明实施例5制备得到的样品的om图；图11为本发明实施例6制备得到的样品的om图；图12为本发明实施例7制备得到的样品的om图。
实施方式
16.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并
不用于限定本发明。
17.一种超薄二维coo单晶纳米片的制备方法，采用常压化学气相沉积法，包括以下步骤：1）将10-120mg六水氯化钴颗粒放入干净的磁舟中，并将其置于单温区管式炉的加热中心；2）将衬底置于单温区管式炉的下游，距加热中心约8-14cm，所述衬底为蓝宝石衬底或云母衬底；3）将单温区管式炉中通入ar，流速为20-50sccm，并将单温区管式炉的中心温度以20-30℃/min的升温速率升温至600-800℃，然后保温10-60min，保温结束后，冷却至室温，取出衬底，获得所述超薄二维coo单晶纳米片。
18.以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。
19.图1为本发明实施例1-6所采用的化学气相沉积装置的示意图（实施例7所采用的装置中衬底为蓝宝石衬底），其中反应装置为单温区管式炉，石英管内径为1英寸，将装有六水氯化钴的瓷舟置于管式炉的加热中心，放置衬底的石英片置于管式炉的下游。
实施例
20.一种超薄二维coo单晶纳米片的制备方法，包括以下步骤：（1）将30mg六水氯化钴颗粒堆积于石英舟中，置于单温区管式炉的加热中心；（2）将新鲜剥离尺寸为1cm
×
1cm的云母衬底置于石英片上，并将其放置在距离加热中心为8cm的单温区管式炉下游；（3）向石英管中通入载气ar，其流速为30sccm，并保持压强为常压；（4）将单温区管式炉从室温以25℃/min的速率升温至720℃，保温30min后，反应结束后自然冷却至室温，取出云母衬底，可在云母衬底上获得样品。
21.对获得的样品进行分析，具体结果如下：图2为样品在云母衬底上生长的om图，显示为三角形纳米片，尺寸为10μm左右；图3为样品在云母衬底上生长的afm图，厚度约为7.3nm；图4为样品的xrd图，其衍射图谱与标准pdf卡片一致，可以看出，通过实施例1获得的样品结晶质量高；图5为样品的raman图，可以看到447 cm-1
、538 cm-1
和662 cm-1
分别对应coo的eg、t
2g
和a
1g
振动模式，1056 cm-1
对应coo的二阶双声子拉曼散射；图6为样品的xps图，根据co元素的2p轨道的价键能量态和o元素的1s轨道的价键能量态，进一步确认实施例1制备得到的纳米片样品为coo。
实施例
22.一种超薄二维coo单晶纳米片的制备方法，包括以下步骤：（1）将30mg六水氯化钴颗粒堆积于石英舟中，置于单温区管式炉的加热中心；（2）将新鲜剥离尺寸为1cm
×
1cm的云母衬底置于石英片上，并将其放置在距离加热中心为8cm的单温区管式炉下游；（3）向石英管中通入载气ar，其流速为30sccm，并保持压强为常压；
（4）将单温区管式炉从室温以25℃/min的速率升温至690℃，保温30min后，反应结束后自然冷却至室温，取出云母衬底，可在云母衬底上获得样品。
23.对获得的样品进行分析，得到om图如图7所示，从图中可以看出纳米片的大小在17μm左右，纳米片晶型完整，形貌规则。
实施例
24.一种超薄二维coo单晶纳米片的制备方法，包括以下步骤：（1）将30mg六水氯化钴颗粒堆积于石英舟中，置于单温区管式炉的加热中心；（2）将新鲜剥离尺寸为1cm
×
1cm的云母衬底置于石英片上，并将其放置在距离加热中心为8cm的单温区管式炉下游；（3）向石英管中通入载气ar，其流速为40sccm，并保持压强为常压；（4）将单温区管式炉从室温以25℃/min的速率升温至720℃，保温30min后，反应结束后自然冷却至室温，取出云母衬底，可在云母衬底上获得样品。
25.对获得的样品进行分析，得到om图如图8所示，从图中可以看出纳米片的大小在20μm左右。
实施例
26.一种超薄二维coo单晶纳米片的制备方法，包括以下步骤：（1）将50mg六水氯化钴颗粒堆积于石英舟中，置于单温区管式炉的加热中心；（2）将新鲜剥离尺寸为1cm
×
1cm的云母衬底置于石英片上，并将其放置在距离加热中心为8cm的单温区管式炉下游；（3）向石英管中通入载气ar，其流速为30sccm，并保持压强为常压；（4）将单温区管式炉从室温以25℃/min的速率升温至720℃，保温30min后，反应结束后自然冷却至室温，取出云母衬底，可在云母衬底上获得样品。
27.对获得的样品进行分析，得到om图如图9所示，从图中可以看出纳米片的大小在18μm左右，较为规则。
实施例
28.一种超薄二维coo单晶纳米片的制备方法，包括以下步骤：（1）将10mg六水氯化钴颗粒堆积于石英舟中，置于单温区管式炉的加热中心；（2）将新鲜剥离尺寸为1cm
×
1cm的云母衬底置于石英片上，并将其放置在距离加热中心为8cm的单温区管式炉下游；（3）向石英管中通入载气ar，其流速为30sccm，并保持压强为常压；（4）将单温区管式炉从室温以25℃/min的速率升温至720℃，保温30min后，反应结束后自然冷却至室温，取出云母衬底，可在云母衬底上获得样品。
29.对获得的样品进行分析，得到om图如图10所示，从图中可以看出纳米片的大小在7μm，与实施例1相比，纳米片变小。
实施例
30.一种超薄二维coo单晶纳米片的制备方法，包括以下步骤：（1）将30mg六水氯化钴颗粒堆积于石英舟中，置于单温区管式炉的加热中心；（2）将新鲜剥离尺寸为1cm
×
1cm的云母衬底置于石英片上，并将其放置在距离加热中心为8cm的单温区管式炉下游；（3）向石英管中通入载气ar，其流速为30sccm，并保持压强为常压；（4）将单温区管式炉从室温以25℃/min的速率升温至720℃，保温50min后，反应结束后自然冷却至室温，取出云母衬底，可在云母衬底上获得样品。
31.对获得的样品进行分析，得到om图如图11所示，从图中可以看出随着保温时间变长，纳米片变厚，且数量变多。
实施例
32.一种超薄二维coo单晶纳米片的制备方法，包括以下步骤：（1）将30mg六水氯化钴颗粒堆积于石英舟中，置于单温区管式炉的加热中心；（2）将单面抛光（100）面的尺寸为1cm
×
1cm的蓝宝石衬底置于石英片上，并将其放置在距离加热中心为8cm的单温区管式炉下游；（3）向石英管中通入载气ar，其流速为30sccm，并保持压强为常压；（4）将单温区管式炉从室温以25℃/min的速率升温至720℃，保温30min后，反应结束后自然冷却至室温，取出蓝宝石衬底，可在蓝宝石衬底上获得样品。
33.对获得的样品进行分析，得到om图如图12所示，从图中可以看出纳米片的大小在12.5μm左右，是规则的三角形纳米片。
34.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种超薄二维coo单晶纳米片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：采用常压cvd法，以六水氯化钴作为前驱体置于管式炉中，以蓝宝石或云母作为衬底；向管式炉中通入ar，将管式炉的中心温度升温至600-800℃，保温，保温结束后，冷却至室温，取出衬底，获得超薄二维coo单晶纳米片。2.根据权利要求1所述的超薄二维coo单晶纳米片的制备方法，其特征在于，以六水氯化钴作为前驱体置于管式炉中的步骤具体为：将六水氯化钴颗粒放入干净的磁舟中，并将其置于管式炉的加热中心。3.根据权利要求1所述的超薄二维coo单晶纳米片的制备方法，其特征在于，以蓝宝石或云母作为衬底的步骤中，所述衬底置于管式炉的下游，距加热中心约8-14cm。4.根据权利要求1所述的超薄二维coo单晶纳米片的制备方法，其特征在于，以蓝宝石作为衬底时，蓝宝石衬底为单面抛光（100）面，其总厚度为180-220μm。5.根据权利要求1所述的超薄二维coo单晶纳米片的制备方法，其特征在于，以云母作为衬底时，云母衬底为新鲜剥离的云母，其总厚度为20-50μm。6.根据权利要求1所述的超薄二维coo单晶纳米片的制备方法，其特征在于，向管式炉中通入ar的步骤中，所述ar流速为20-50sccm。7.根据权利要求2所述的超薄二维coo单晶纳米片的制备方法，其特征在于，将管式炉的中心温度升温至600-800℃的步骤中，所述升温速率为20-30℃/min。8.一种如权利要求1-7任一所述的超薄二维coo单晶纳米片的制备方法制备得到的超薄二维coo单晶纳米片。9.一种如权利要求8所述的超薄二维coo单晶纳米片在制备光电探测器中的应用。

技术总结
本发明适用于二维纳米材料技术领域，提供了一种超薄二维CoO单晶纳米片的制备方法，包括以下步骤：采用常压CVD法，以六水氯化钴作为前驱体置于管式炉中，以蓝宝石或云母作为衬底；向管式炉中通入Ar，将管式炉的中心温度升温至600-800℃，保温10-60min，保温结束后，冷却至室温，取出衬底，获得超薄二维CoO单晶纳米片。本发明还提供了一种超薄二维CoO单晶纳米片的制备方法制备得到的超薄二维CoO单晶纳米片。本发明还提供了一种超薄二维CoO单晶纳米片在制备光电探测器中的应用。本发明采用常压化学气相沉积法，通过水分子的钝化、熔点较低的过渡金属氯化物前驱体和特定的衬底促进了超薄CoO纳米片的合成。超薄CoO纳米片的合成。超薄CoO纳米片的合成。


技术研发人员：黄文娟 肖越 安楠 陈相柏
受保护的技术使用者：武汉工程大学
技术研发日：2023.05.25
技术公布日：2023/9/12