CN117865076B - 一种大面积二维碱金属硫族化合物网络的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大面积二维碱金属硫族化合物网络的制备方法，属于纳米材料技术领域。在超高真空环境下，将硒粉末沉积到25～30℃的干净铜单晶基底表面；沉积结束后，将铜单晶基底和沉积到铜单晶基底表面上的硒粉末升温到生长温度，进行退火处理，然后降温至室温，得到退火载硒铜单晶基底；将钾单质蒸发并沉积到退火载硒铜单晶基底上，然后在室温下保持，得到大面积二维钾硒化合物网络。本发明利用硒粉末会与铜衬底发生化学反应形成化合物的策略，将硒粉末沉积到铜衬底表面，以获得在铜衬底上有铜硒化合物、硒原子的样品，对所述样品进行退火处理，再将钾单质沉积到样品表面，并将所述样品升温到室温，最终得到大面积二维钾硒化合物组成的网络结构的样品。
Description
技术领域
本发明涉及一种大面积二维碱金属硫族化合物网络的制备方法，属于纳米材料技术领域。
背景技术
近几十年来，由于化石能源的快速消耗和日益严重的能源危机，对高能量/功率密度和低成本的二次电池的需求一直在增加。因此，开发替代传统电化学储能系统，已经引起了越来越多的关注。近年来，碱金属硫族化合物作为电极以及电解液在能源领域上得到了广泛的研究，尤其是在钾离子参与下其具有高能量、低成本的特点，被认为是在下一代储能系统中一种有吸引力的候选材料。但由于大部分多硒化物往往存在大体积变化的特点，所以导致其循环性能仍然不理想。所以找到一类非常规的、不符合化学计量配比的硒化物或许可以提供一种新的选择。
对于钾硒化合物来说，大多是属于相图中的元素配比的。若利用表面物理化学的方法，使得原本在相图中不存在的元素配比的材料可以被制备出来，则可以后续根据形貌来了解并设计后续实验手段，从而为其实际应用提供了一种有意义的策略。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供一种大面积二维碱金属硫族化合物网络的制备方法。本发明利用硒粉末会与铜衬底发生化学反应形成化合物的策略，将硒粉末沉积到铜衬底表面，以获得在铜衬底上有铜硒化合物、硒原子的样品，将所述样品升温到生长温度后对所述样品进行退火处理，再将钾单质沉积到样品表面，并将所述样品升温到室温后对所述样品进行退火处理，最终得到大面积二维钾硒化合物组成的网络结构的样品。本发明通过以下技术方案实现。
一种大面积二维碱金属硫族化合物网络的制备方法，其步骤包括：
步骤1、在超高真空环境下，将硒粉末沉积到25～30℃的干净铜单晶基底表面；
步骤2、步骤1沉积结束后，将铜单晶基底和沉积到铜单晶基底表面上的硒粉末升温到生长温度，进行退火处理，然后降温至室温，得到退火载硒铜单晶基底；
步骤3、将钾单质蒸发并沉积到步骤2得到的退火载硒铜单晶基底上，然后在室温下保持，得到大面积二维钾硒化合物网络。
所述步骤1中铜单晶基底的制备过程，步骤包括：
步骤1.1、在超高真空腔内，对铜单晶进行氩离子溅射处理得到铜基底；
步骤1.2、将步骤1.1得到的铜基底加热至450℃，保持10-30min得到铜单晶基底。
所述步骤1中将硒粉末在120℃～125℃的蒸发温度下蒸发，沉积15～20min到干净铜单晶基底表面。
所述步骤2中生长温度为100～400℃，退火处理(也就是保持生长温度)10～30min，通过进行该步骤，可以使沉积的硒原子与钾单质相互作用并充分扩散形成大面积二维钾硒化合物网络结构。
所述步骤3中钾单质蒸发温度为620℃～630℃，沉积10min～15min到退火载硒铜单晶基底上。
所述步骤3中在室温下保持15min～30min。
上述硒粉末和钾单质蒸发底的步骤是通过热阻式加热以及直流加热使硒粉末和钾单质蒸发并沉积到所述铜单晶基底上。
本发明的有益效果是：
通过本发明制备得到的大面积二维钾硒化合物组成的网络结构，是一种新型单层的二维材料，可能直接应用在二维电子信息器件中。
附图说明
图1是本发明实施例1制备得到的具有大面积二维钾硒化合物网络的扫描隧道显微镜图；
图2是本发明实施例1制备得到的具有大面积二维钾硒化合物网络的扫描隧道显微镜原子分辨图像与元胞结构及周期图；
图3是本发明实施例1制备得到的具有大面积二维钾硒化合物网络的扫描隧道显微镜图、利用计算方法模拟出来的具有大面积二维钾硒化合物网络的扫描隧道显微镜图和对应的钾硒化合物网络的优化原子构型图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
试验仪器和设备：
低温扫描隧道显微镜：购自德国Omicron公司。
K-cell分子蒸发源：购自德国Omicron公司。
氩离子枪：购自德国Omicron公司。
原料：
硒粉末：购自Sigma-Aldrich，纯度99.99％。
铜单晶：购自MaTecK，纯度99.999％。
钾单质：购自SAES，纯度99.99％。
实施例1
该大面积二维碱金属硫族化合物网络的制备方法，其步骤包括：
步骤1、在超高真空环境下(真空度优于1x10-9 mbar)，利用热阻式K-cell分子蒸发源，将硒粉末在125℃的蒸发温度下，沉积15min到30℃的干净铜单晶基底表面；
该干净铜单晶基底制备过程，具体步骤包括：
步骤1.1、在超高真空腔内(真空度为优于1x10-9 mbar)，用氩离子枪对铜单晶进行氩离子溅射处理得到铜基底；
步骤1.2、将步骤1.1得到的铜基底加热至450℃，保持10min得到铜单晶基底；
步骤2、步骤1沉积结束后，将铜单晶基底和沉积到铜单晶基底表面上的硒粉末升温到400℃生长温度，进行退火处理30min，然后降温至室温，得到退火载硒铜单晶基底；
步骤3、将钾单质在630℃下蒸发，沉积10min到步骤2得到的退火载硒铜单晶基底上，然后在室温下保持30min，得到大面积二维钾硒化合物网络。
将本发明制备得到的大面积二维钾硒化合物网络通过扫描隧道显微镜来观察，如图1所示。
图2为本发明制备得到的大面积二维钾硒化合物网络扫描隧道显微镜原子分辨图像，以及其元胞尺寸及周期。从图2中可以看出本大面积二维钾硒化合物网络元胞尺寸为1.51nm。
图3为根据本发明的实施例制备方法制备的大面积二维钾硒化合物网络结构的实验上和计算上模拟的扫描隧道显微镜原子分辨图像。可以直接有效地证明根据本发明的实施例制备方法制备的具有大面积二维钾硒化合物网络结构是由硒原子和钾原子构成的。
实施例2
该大面积二维碱金属硫族化合物网络的制备方法，其步骤包括：
步骤1、在超高真空环境下(真空度为优于1x10-9 mbar)，利用热阻式K-cell分子蒸发源，将硒粉末在120℃的蒸发温度下，沉积20min到25℃的干净铜单晶基底表面；
该干净铜单晶基底制备过程，具体步骤包括：
步骤1.1、在超高真空腔内(真空度为优于1x10-9 mbar)，用氩离子枪对铜单晶进行氩离子溅射处理得到铜基底；
步骤1.2、将步骤1.1得到的铜基底加热至450℃，保持30min得到铜单晶基底；
步骤2、步骤1沉积结束后，将铜单晶基底和沉积到铜单晶基底表面上的硒粉末升温到100℃生长温度，进行退火处理10min，然后降温至室温，得到退火载硒铜单晶基底；
步骤3、将钾单质在620℃下蒸发，沉积15min到步骤2得到的退火载硒铜单晶基底上，然后在室温下保持30min，得到大面积二维钾硒化合物网络。
实施例3
该大面积二维碱金属硫族化合物网络的制备方法，其步骤包括：
步骤1、在超高真空环境下(真空度为优于1x10-9 mbar单位)，利用热阻式K-cell分子蒸发源，将硒粉末在122℃的蒸发温度下，沉积18min到28℃的干净铜单晶基底表面；
该干净铜单晶基底制备过程，具体步骤包括：
步骤1.1、在超高真空腔内(真空度为优于1x10-9 mbar)，用氩离子枪对铜单晶进行氩离子溅射处理得到铜基底；
步骤1.2、将步骤1.1得到的铜基底加热至450℃，保持20min得到铜单晶基底；
步骤2、步骤1沉积结束后，将铜单晶基底和沉积到铜单晶基底表面上的硒粉末升温到300℃生长温度，进行退火处理20min，然后降温至室温，得到退火载硒铜单晶基底；
步骤3、将钾单质在625℃下蒸发，沉积13min到步骤2得到的退火载硒铜单晶基底上，然后在室温下保持25min，得到大面积二维钾硒化合物网络。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (2)
1.一种大面积二维碱金属硫族化合物网络的制备方法，其特征在于步骤包括：
步骤1、在超高真空环境下，将硒粉末沉积到25~30℃的干净铜单晶基底表面；
步骤2、步骤1沉积结束后，将铜单晶基底和沉积到铜单晶基底表面上的硒粉末升温到生长温度，进行退火处理，然后降温至室温，得到退火载硒铜单晶基底；
步骤3、将钾单质蒸发并沉积到步骤2得到的退火载硒铜单晶基底上，然后在室温下保持，得到大面积二维钾硒化合物网络；
所述步骤1中铜单晶基底的制备过程，步骤包括：
步骤1.1、在超高真空腔内，对铜单晶进行氩离子溅射处理得到铜基底；
步骤1.2、将步骤1.1得到的铜基底加热至450℃，保持10-30min得到铜单晶基底；
所述步骤1中将硒粉末在120℃～125℃的蒸发温度下蒸发，沉积15~20min到干净铜单晶基底表面；
所述步骤2中生长温度为100~400℃，退火处理10~30min；
所述步骤3中钾单质蒸发温度为620℃～630℃，沉积10min～15min到退火载硒铜单晶基底上。
2.根据权利要求1所述的大面积二维碱金属硫族化合物网络的制备方法，其特征在于：所述步骤3中在室温下保持15min~30min。
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