CN115417390B - 一种单晶紫磷的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种单晶紫磷的制备方法，属于物质合成技术领域。本发明提供了一种单晶紫磷的制备方法，包括以下步骤：在保护气氛下，将无定型红磷、锡和铋混合进行焙烧，得到气态物料；将所述气态物料进行降温，得到所述单晶紫磷。本发明以无定型红磷、锡和铋为原料，提供了一种高效合成单晶Hittorf’s磷材料的方法，制备方法简单，转换率高，适用于大规模的单晶紫磷制备，为后续探索单晶紫磷的性能和应用奠定基础。

Description

一种单晶紫磷的制备方法
技术领域
本发明涉及物质合成技术领域，尤其涉及一种单晶紫磷的制备方法。
背景技术
紫磷作为磷的同素异形体中，是一种层状P型半导体材料。紫磷(VP)作为一种更稳定的磷同素异素，被理论预测显示其空穴迁移率可达7000cm2·V-1·s-1，单层中直接带隙可达2.5eV，使其成为蓝光光电子应用的理想候选物。尽管如此，通过实验获得这些迷人的特性仍然具有挑战性。例如，变小的副溶质晶体倾向于与BP(黑磷)一起生长，这使得副溶质的分离和纯化变得困难；由于P-P键的脆性和P8笼间的层间相互作用，HP(晶体红磷)晶体的剥落不可避免地导致厚而小的碎片。到目前，紫磷(Hittorf’s磷)单晶的制备受到其产量的限制，使其单晶性能的探索和应用受到阻碍。
传统方法采用Sn和I元素通过调控与黑磷的竞争形核得到单晶紫磷。这种方法得到的单晶紫磷产量低，效率低下，不能满足目前科研和市场的需求。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种单晶紫磷的制备方法。所述制备方法简单，转换率高，为单晶紫磷的性能探索和应用铺平道路。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种单晶紫磷的制备方法，包括以下步骤：
在保护气氛下，将无定型红磷、锡和铋混合进行焙烧，得到气态物料；
将所述气态物料进行降温，得到所述单晶紫磷。
优选地，所述无定型红磷、锡和铋的质量比为10～60：1～6：1～6。
优选地，所述无定型红磷、锡和铋的质量比为10：1：1。
优选地，所述焙烧的温度为≥600℃。
优选地，由室温升温至所述焙烧的温度的升温速率为2～20℃/min。
优选地，所述降温为先以0.25～0.32℃/min的降温速率降至480～488℃，保温112～128min，然后以0.8～1.3℃/min的降温速率降至108～126℃，最后随炉冷却至室温。
优选地，所述降温为先以0.3℃/min的降温速率降至484℃，保温125min，然后以1℃/min的降温速率降至120℃，最后随炉冷却至室温。
优选地，所述焙烧在马弗炉中进行。
优选地，所述混合在玻璃安瓿中进行。
优选地，所述保护气氛由充入氮气的手套箱提供。
本发明提供了一种单晶紫磷的制备方法，包括以下步骤：在保护气氛下，将无定型红磷、锡和铋混合进行焙烧，得到气态物料；将所述气态物料进行降温，得到所述单晶紫磷。本发明以无定型红磷、锡和铋为原料，提供了一种高效合成单晶Hittorf’s磷材料的方法，锡和铋作为无定型红磷气体输运的载体，能够使磷原子朝着特定的生长方向排列，从而形成单晶紫磷，这种制备方法简单高效，适用于单晶紫磷的大量生产，制备方法简单，转换率高，适用于大规模的单晶紫磷制备，为后续探索单晶紫磷的性能和应用奠定基础。
附图说明
图1为实施例1制得的单晶Hittorf’s磷的SEM图；
图2为实施例1制得的单晶Hittorf’s磷的XRD图。
具体实施方式
本发明提供了一种单晶紫磷的制备方法，包括以下步骤：
在保护气氛下，将无定型红磷、锡和铋混合进行焙烧，得到气态物料；
将所述气态物料进行降温，得到所述单晶紫磷。
在本发明中，若无特殊说明，使用的原料均为本领域市售商品。
在保护气氛下，将无定型红磷、锡和铋混合进行焙烧，得到气态物料。
在本发明中，所述混合优选在玻璃安瓿中进行。
所述混合完成后，本发明优选将所述玻璃安瓿进行真空密封，所述真空密封的目的是为了让后续反应处于真空状态下。
在本发明中，所述保护气氛优选由充入氮气的手套箱提供。
在本发明中，所述无定型红磷、锡和铋的质量比优选为10～60：1～6：1～6，更优选为10：1：1。
在本发明中，所述焙烧的温度优选为≥600℃，更优选为620℃；本发明对所述焙烧的温度和时间的上限不限，是为了达到P的升华温度，使其全部气化。
在本发明中，所述焙烧优选在马弗炉中进行。
在本发明中，由室温升温至所述焙烧的温度的升温速率优选为2～20℃/min，更优选为10℃/min。
在本发明中，所述降温优选为先以0.25～0.32℃/min的降温速率降至480～488℃，保温112～128min，然后以0.8～1.3℃/min的降温速率降至108～126℃，最后随炉冷却至室温，更优选为先以0.3℃/min的降温速率降至484℃，保温125min，然后以1℃/min的降温速率降至120℃，最后随炉冷却至室温、以0.2℃/min的降温速率降低温度到482℃，保温115min，以1.2℃/min的降温速率降低温度到118℃后，直接自然冷却到室温或以0.2℃/min的降温速率降低温度到484℃，保温125min，以1℃/min的降温速率降低温度到120℃后，直接自然冷却到室温。
为了进一步说明本发明，下面结合实例对本发明提供的单晶紫磷及其制备方法和应用进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
步骤1，在氮气气氛的手套箱中，分别称取400mg无定型红磷、40mg锡单质和40mg铋单质置于玻璃安瓿中，随后进行真空密封。
步骤2，将真空密封处理后的玻璃安瓿放置马弗炉中，以10℃/min的升温速率升温至620℃后保温300min，以0.3℃/min的降温速率降低温度到484℃，保温125min，以1.0℃/min的降温速率降低温度到120℃后，直接自然冷却到室温，获得所述单晶Hittorf’s磷材料，计算产率为97.9％。
本实施例对产品进行了SEM测试，结果图1所示，可以看出：本实施例获得的单晶Hittorf’s磷材料具有明显的棒状晶体结构，且其表面光滑无明显杂质存在。
本实施例对产品进行了粉末X射线衍射测试，结果图2所示，可以看出：本实施例制备的单晶Hittorf’s磷材料为纯相，说明本实施例制备的单晶Hittorf’s磷材料具有较高的纯度。
实施例2
步骤1，在氮气气氛的手套箱中，分别称取400mg无定型红磷、40mg锡单质和40mg铋单质置于玻璃安瓿中，随后进行真空密封。
步骤2，将真空密封处理后的玻璃安瓿放置马弗炉中，以20℃/min的升温速率升温至610℃后保温300min，以0.2℃/min的降温速率降低温度到482℃，保温115min，以1.2℃/min的降温速率降低温度到118℃后，直接自然冷却到室温，获得所述单晶Hittorf’s磷材料，计算产率为95.3％。
实施例3
步骤1，在氮气气氛的手套箱中，分别称取400mg无定型红磷、30mg锡单质和50mg铋单质置于玻璃安瓿中，随后进行真空密封。
步骤2，将真空密封处理后的玻璃安瓿放置马弗炉中，以10℃/min的升温速率升温至620℃后保温300min，以0.2℃/min的降温速率降低温度到484℃，保温125min，以1℃/min的降温速率降低温度到120℃后，直接自然冷却到室温，获得所述单晶Hittorf’s磷材料，计算产率为91.5％。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并非对本发明作任何形式上的限制。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种单晶紫磷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在保护气氛下，将无定型红磷、锡和铋混合进行焙烧，得到气态物料；所述无定型红磷、锡和铋的质量比为10～60：1～6：1～6；
将所述气态物料进行降温，得到所述单晶紫磷；所述降温为先以0.25～0.32℃/min的降温速率降至480～488℃，保温112～128min，然后以0.8～1.3℃/min的降温速率降至108～126℃，最后随炉冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述无定型红磷、锡和铋的质量比为10：1：1。
3.据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述焙烧的温度为≥600℃。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，由室温升温至所述焙烧的温度的升温速率为2～20℃/min。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述降温为先以0.3℃/min的降温速率降至484℃，保温125min，然后以1℃/min的降温速率降至120℃，最后随炉冷却至室温。
6.根据权利要求1、3或4所述的制备方法，其特征在于，所述焙烧在马弗炉中进行。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述混合在玻璃安瓿中进行。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述保护气氛由充入氮气的手套箱提供。
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