CN104787736A - 一种大规模制备双层结构黑磷的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大规模制备双层结构黑磷的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：1）将白磷或红磷在6-8 Kbar压力下，于温度600-800℃，反应至少1 min；2）将步骤1）所得物置于乙醇水溶液中浸泡4-6 h；3）利用超声波处理至少10 min，超声波功率为70-80 W。本发明的制备工艺简单，可以获得较高生成率的双层结构黑磷，其生成率可达91.0%；本发明制备工艺成本低廉，易于大规模应用。

Description

一种大规模制备双层结构黑磷的方法

技术领域

本发明涉及双层结构黑磷制备工艺领域，具体涉及一种大规模制备双层结构黑磷的方法。

技术背景

二维晶体材料因具备优越的电气性能，受到半导体材料研究领域的高度重视。二维石墨烯的发现宣告了真正意义上的二维材料的出现，近年来一直作为研究热点。

然而，由于石墨烯的加工成本高昂，且不具有半导体带隙，无法实现数字电路的逻辑开与关，阻碍了石墨烯的应用。

因此，寻求一种替代石墨烯的材料的需求显得极为迫切。

黑磷作为新发现的可制备成二维晶体材料的物质，近两年来成为新的科研热点。2014年的《自然•纳米技术》杂志刊载了利用黑磷制备场效应晶体管器件的研究，使得黑磷的研究再次达到高潮。

然而，在现有技术中，制备双层结构黑磷的方法主要还停留在机械剥离方法上，效率十分低下。因此，在已知黑磷具有广阔应用前景的基础下，亟待开发一种大规模制备双层结构黑磷的方法。

发明内容

针对现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种大规模制备双层结构黑磷的方法，该方法包括如下步骤：

1）将白磷或红磷在6-8 Kbar压力下，于温度600-800℃，反应至少1 min；

2）将步骤1）所得物置于乙醇水溶液中浸泡4-6 h；

3）利用超声波处理至少10 min，超声波功率为70-80 W。

优选的，所述步骤1）中的温度为750℃。

进行高温高压处理时，片层间会产生气泡使得黑磷各片层相互剥离。发明人发现，在压力为6-8 Kbar下，温度为750℃时，利于黑磷各片层间的剥离。但需指出的时，在该情况下，各片层间的剥离，并没有达到最大化，只是经过750℃处理后，再结合本发明后续步骤，可得到最高的双层结构黑磷生成率。对于黑磷大规模制备而言，温度越高，成本相应的便会越高，更重要的是，温度越高，不一定便可以得到更好的双层结构黑磷生存率。如其中一个实施例所示，当温度达到1050℃时，双层结构黑磷的生成率范围小幅度降低。

优选的，所述步骤1）的反应时间为10 min。

反应时间对于黑磷片层的剥离较为重要，虽然高温处理不需太长时间，但较长的处理时间可以获得更好的双层结构黑磷生成率。10 min的处理时间，只是在获得良好双层结构黑磷生存率的前提下，节省了成本。

优选的，所述步骤2）中，乙醇和水的体积比为2-3:1，浸泡时间为5 h。更优选的，所述乙醇和水的体积比为12:5。

发明人发现，将高温高压处理后的黑磷放置在乙醇水溶液中一段时间后，而非立即进行超声处理，所得的双层结构黑磷的生产率更好。当乙醇和水的体积比为12:5时，双层结构黑磷生成率的提升更为显著。

优选的，所述超声波功率为75 W，处理时间为15 min。更优选的，所述超声波功率为75 W，处理时间为30 min

发明人发现，在本发明中，要实现双层结构黑磷的制备，超声波功率至少要达到60W以上，在70W功率以上时，可获得较好的生成率。当功率为75 W，处理时间为15 min，生成率达到很好的水平。当处理时间为30 min时，生成率还有小幅提升。

本发明的有益效果：

本发明的制备工艺简单，可以获得较高生成率的双层结构黑磷，其生成率可达91.0%；本发明制备工艺成本低廉，易于大规模应用。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是以下实施例只是用于对本发明进行进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员根据上述发明内容所做出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

在所有的实施例中，高压环境由Riken CAP-07仪器提供。黑磷的厚度利用原子力显微镜测试，厚度为10Å左右，判定为双层结构黑磷。

实施例1

1）将白磷在6Kbar压力下，于温度600℃，反应1 min；

2）将步骤1）所得物置于乙醇水溶液中浸泡4 h，乙醇与水的体积比为2:1；

3）利用超声波处理10 min，超声波功率为70W。

实施例2

1）将白磷在8Kbar压力下，于温度800℃，反应10min；

2）将步骤1）所得物置于乙醇水溶液中浸泡6 h，乙醇与水的体积比为3:1；

3）利用超声波处理15 min，超声波功率为80W。

实施例3

1）将红磷在7Kbar压力下，于温度750℃，反应10min；

2）将步骤1）所得物置于乙醇水溶液中浸泡5h，乙醇与水的体积比为12:5；

3）利用超声波处理15 min，超声波功率为75W。

实施例4

1）将白磷在7Kbar压力下，于温度750℃，反应10min；

2）将步骤1）所得物置于乙醇水溶液中浸泡5h，乙醇与水的体积比为12:5；

3）利用超声波处理30 min，超声波功率为75W。

对比实施例

1）将红磷在7Kbar压力下，于温度1050℃，反应10min；

2）将步骤1）所得物置于乙醇水溶液中浸泡5h，乙醇与水的体积比为12:5；

3）利用超声波处理30 min，超声波功率为75W。

实验例

对实施例1-实施例4和对比实施例进行双层结构黑磷的生成率检测。结果见表1。

表1

	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	对比实施例
						双层结构黑磷生成率（%）	81.4%	83.7%	89.5%	91.0%	72.5%

Claims (7)

1.一种大规模制备双层结构黑磷的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

1）将白磷或红磷在6-8 Kbar压力下，于温度600-800℃，反应至少1 min；

2）将步骤1）所得物置于乙醇水溶液中浸泡4-6 h；

3）利用超声波处理至少10 min，超声波功率为70-80 W。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1）中的温度为750℃。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1）的反应时间为10 min。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2）中，乙醇和水的体积比为2-3:1，浸泡时间为5 h。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述乙醇和水的体积比为12:5。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超声波功率为75 W，处理时间为15 min。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超声波功率为75 W，处理时间为30 min。