一種拓撲絕緣體材料及其製備方法

2023-05-13 22:52:26

專利名稱：一種拓撲絕緣體材料及其製備方法
技術領域：
本發明屬於納米材料的製備領域，具體涉及一種撲絕緣體材及其製備方法。
背景技術：
按照電子態結構的不同，傳統意義上的材料被分為「金屬」和「絕緣體」兩大類。而 拓撲絕緣體是一種新的量子物質態，這種物質態的體電子態是有能隙的絕緣體，而其表面 則是無能隙的金屬態。不同於一般意義上的由於表面未飽和鍵或者是表面重構導致的表面 態，拓撲絕緣體的表面金屬態完全是由材料的體電子態的拓撲結構所決定，受對稱性保護， 因此基本不受到雜質與無序的影響。正是由於這些重要特徵保證了拓撲絕緣體將有可能在 未來的電子技術發展中獲得重要的應用，有著巨大的應用潛在。尋找具有足夠大的體能隙 並且具有化學穩定性的強拓撲絕緣體材料成為了人們目前關注的重要焦點和難點。2009年，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室與美國史丹福大學 深入合作，預言了一類新的強拓撲絕緣體材料系統(主要為V-VI族材料，如Bije3，Bi2Te3 和Sb2Te3)。他們從理論和計算上系統地探討了這類材料成為強拓撲絕緣體的物理機制，給 出了描述該狄拉克點的KP哈密頓量，並且計算了類APRES電子譜圖。這類拓撲絕緣體材料 有著獨特的優點，即該類材料表面態中只有一個狄拉克點存在，是最簡單的強拓撲絕緣體， 這種簡單性為理論模型的研究提供了很好的平臺。此外，該類材料的體能隙很大，尤其是 Bi2Se3(0. 3電子伏)，遠遠超出室溫能量尺度，這也意味著有可能實現室溫低能耗的自旋電 子器件(Zhong Fang, Shou-Cheng Zhang, et al.，Nature Physics, 2009 (5) :438-442)。在理論研究的同時，相關的實驗工作也取得重要進展。美國普林斯頓大學的 Μ. Z. Hasan與R. J. Cava教授在Bi2Se3中觀察到了表面態狄拉克點的存在(Y. Xia, D. Qian, D. Hsieh, L. Wray, A. Pal, H. Lin, A. Bansi 1, D. Grauer, Y. S. Hor, R. J. Cava, et al. , Nature Physics, 2009 (5) :398-402)。中科院物理所方忠、戴希研究組與史丹福大學的Ζ. X. Shen 教授研究組合作，利用ARPES觀察到了 Bi2I^3材料中的表面單個狄拉克點(Y. L. Chen, J. G. Analytis, J. -H. Chu, Ζ. K. Liu, S. -K. Mo, Χ. L. Qi, H. J. Zhang, D. H. Lu, X. Dai, Ζ. Fang, S. C. Zhang, I.R.Fisher, Z. Hussain, and Ζ. -X. Shen, Science, 2009 (325) :178-181)。除 了對體相材料拓撲絕緣性質的研究，小尺度低維結構材料的設計合成及由尺寸效應引入 的對電子自旋等性質的影響，則是人們關注該領域發展的另一重要方面。V-VI族納米材 料的合成，主要包括溶液相合成，如水熱合成(Hongjie Zhang, et al.，J. AM. CHEM. S0C.， 2006(128) :16490-16491)、微波合成(R. Harpeness，A. Gedanken，New J. Chem.，2003 (27) 1191-1193)、電化學沉積(Xiaoguang Li, et al.，J. Phys. Chem. B, 2005 (109) :1430-1432) 及超聲電化學沉禾只(Xiaofeng Qiu, Clemens Burda, Ruiling Fu, Lin Pu, Hongyuan Chen, and Junjie Zhu, J. AM. CHEM. SOC. , 2004 (126) :16276-16277)，以及氣相合成，如化學氣 相沉積(Hongkun Park, et al.，J. AM. CHEM. SOC. ,2008,130,6252)及分子束外延生長 (Molecular Beam Epitaxy, M ^ MBE)(Kehui Wu, et al. , Appl. Phys. Lett,2009(95) 053114-1 ；3)。傳統的分子束外延生長及化學氣相沉積法中，由於受複雜的製備工藝、昂貴的材料成本以及困難的後加工過程等因素的限制，往往難以高效的合成大量的小尺寸低 維拓撲絕緣體材料，而由於電化學方法具有裝置簡易、材料成本低、耗能少，且易於通過調 節電壓等參數實現設計合成各種複雜的結構，在V-VI族低維小尺寸超晶格結構的合成中 受到越來越廣泛的重視(Wei Wang, Xiaoguang Li, et al.，J.Am. Chem. Soc. 2007(129) 6702-6703 ；Xincun Dou, Guanghai Li, et al. ， Nano Lett. ,2008(8) :1286-1290 ；Wei Wang, Xiaoguang Li，et al. , J. Phys. Chem. C, 2008 (112) :15190-15194 ；F. H. Xue,G. Τ. Fei, B. ffu, P. Cui, and L.D.Zhang，J. Am. Chem. Soc. 2005，127 (44)，15348-15349)。然而，目前 的電化學方法所合成的超晶格結構(主要為模板輔助電化學沉積V-VI族超晶格納米線陣 列)，僅能實現對材料徑向尺寸(沿納米線生長方向)的調控，對於不同片段軸向尺寸(垂 直納米線生長方向)的調控，乃至某一片段的選擇性製備，是未見報導的。而這部分工作對 材料拓撲絕緣性質的研究是十分重要的。

發明內容
本發明的目的是提供一種拓撲絕緣體材料及其製備方法，該拓撲絕緣體材料為碲 化銻/碲分節納米線陣列或碲納米圓盤陣列。所述碲化銻/碲分節納米線陣列由兩節不同直徑的圓盤交替出現形成，碲化銻/ 碲分節納米線陣列厚度(即碲化銻納米線的長度)可為0. 5-50 μ m，碲化銻碲分節納米線的 長徑比可為10-1000。所述碲納米圓盤陣列中的碲納米圓盤尺寸均一，直徑可為20-200nm，厚度可為 10-200nm。本發明提供的碲化銻/碲分節納米線陣列或碲納米圓盤是按照以下步驟製備的1)電解液的配製溶質為氧化銻和氧化碲，溶劑可為硝酸和酒石酸與水的混合 液。主要反應物的組成如下表所示
權利要求
1.一種拓撲絕緣體材料，其特徵在於，該拓撲絕緣體材料為碲化銻和碲分節的納米線 及其陣列，或為碲納米圓盤及陣列，所述碲化銻和碲分節納米線為不同直徑的碲化銻圓盤 和銻圓盤交替形成的分節狀。
2.如權利要求1所述的拓撲絕緣體材料，其特徵在於，碲化銻和碲分節納米線陣列厚 度為0. 5-50 μ m，其中，碲化銻和碲分節納米線的長徑比為10-1000。
3.如權利要求1所述的拓撲絕緣體材料，其特徵在於，碲圓盤的直徑為20-200nm，厚度 為 10-200nm。
4.如權利要求1所述的碲化銻和碲分節納米線陣列的製備方法，具體步驟包括1)電解液的配製溶質為氧化銻和氧化碲，溶劑為硝酸和酒石酸與水的混合液；2)電化學裝置以背面鍍金的模板為工作電極，陽極選用鉬電極，參比電極為飽和甘 汞電極；3)沉積策略採用多步電流脈衝沉積法，在模板孔道內部填充硒化鉍及銅摻雜硒化鉍 交替結構；4)模板除去，得到碲化銻和碲分節納米線陣列。
5.如權利要求1所述的碲圓盤陣列的製備方法，具體步驟包括1)電解液的配製溶質為氧化銻和氧化碲，溶劑為硝酸和酒石酸與水的混合液；2)電化學裝置以背面鍍金的模板為工作電極，陽極選用鉬電極，參比電極為飽和甘 汞電極；3)沉積策略採用多步電流脈衝沉積法，在模板孔道內部填充碲納米圓盤；4)模板除去，得到碲納米圓盤陣列。
6.如權利要求4或5所述的方法，其特徵在於，溶質的配製濃度分別為0.001 0. 009mol/L和0. 003 0. 027mol/L的三氧化二銻和二氧化碲。
7.如權利要求4或5所述的方法，其特徵在於，所述模版為AAO或PC等納米級有序多 孔模板。
8.如權利要求4所述的方法，其特徵在於，所述多步電流脈衝沉積法包括兩段沉積過 程 U1 = -0. 2 -0. 35V 及 U2 = -0. 35 -0. 7V,兩個沉積電位 T1 T2 = 1 1 4 1， 沉積時間為0. 5 5小時。
9.如權利要求5所述的方法，其特徵在於，所述多步電流脈衝沉積法包括兩段沉積過 程 U1 = -0. 2 -0. 35V 及 U2 = -0. 5 -0. 9V,兩個沉積電位 T1 T2 = 1 1 4 1，沉 積時間為0. 5 5小時。
10.如權利要求8或9所述的方法，其特徵在於，T1由1 6個電流脈衝組成。
全文摘要
本發明提供了一種拓撲絕緣體材及其製備方法，屬於新材料的製備領域。該撲絕緣體材料為碲化銻/碲分節納米線陣列或碲納米圓盤陣列。本發明採用模板輔助的方法，在模板上直接得到規整的碲化銻/碲分節納米線陣列或碲納米圓盤陣列，製得的納米材料為調控材料的拓撲絕緣性能。較之於傳統硒化鉍材料的製備，本發明具有工藝簡單、成本低廉和一次性成型等特點。
文檔編號C25D9/04GK102063950SQ20101053704
公開日2011年5月18日 申請日期2010年11月9日 優先權日2010年11月9日
發明者吳凱, 陳晨, 黃斌 申請人:北京大學