一种激光减薄紫磷纳米片及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于无机纳米薄片制备技术领域，具体涉及一种激光减薄紫磷纳米片及其制备方法和应用。

背景技术

紫磷是磷的一种同素异形体，它具有典型的层状单质磷结构与独特的电子和光电特性。紫磷的晶体结构为单斜P2/n(a＝9.210,b＝9.128,

紫磷具有可调带隙的特点，其带隙可在1.44～2.5eV范围内可调，块体紫磷的带隙约为1.4eV，是一种间接带隙半导体材料，而单层紫磷烯的带隙约则为2.54eV，是一种直接带隙半导体。紫磷这种可调谐和厚度相关的带隙结构，与石墨烯的零带隙、黑鳞的带隙(0.3～1.8eV)和二硫化物(TMD)的大带隙(大于2.0eV)形成互补，有效的填补了1.8～2.0eV的带隙空挡区。由此可见，可通过控制紫磷的厚度使其带隙进行调整。同时，它具有高度各向异性的空穴迁移率，其上限位于3000～7000cm

目前，常用机械法和溶液法减薄块体紫磷的厚度，但以上两种方法均存在一些缺点：机械减薄法所得二维紫磷纳米片虽然尺寸大、缺陷小但产量低、成品率低；液相减薄法产量高但尺寸小，且有机溶剂难以去除。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种激光减薄紫磷纳米片及其制备方法和应用，以解决传统的机械法剥离紫磷产量小、成品率低以及液相法剥离紫磷尺寸小、有机溶剂难以去除的问题。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开了一种激光减薄紫磷纳米片的制备方法，包括以下步骤：

将块体紫磷进行表面处理，放置于承载装置中，通过激光法对紫磷块体进行减薄，得到激光减薄紫磷纳米片。

优选地，激光法所用的激光为连续激光，其额定功率5～500W，波长355～1064nm，扫描速度1～1000mm/s，加工次数1～500次，激光功率密度0.01×10

优选地，激光法所用的激光为纳秒激光，其额定功率5～500W，波长355～1064nm，扫描速度1～1000mm/s，脉冲频率10～300KHz，激光能量密度0.1～100J/cm

优选地，激光法所用的激光为飞秒激光，其额定功率为5～500W，波长355～1064nm，扫描速度1～1000mm/s，脉冲频率10～300KHz，脉冲宽度1～1000fs，激光能量密度0.1～100J/cm

优选地，激光法所用的激光为皮秒激光，额定功率5～500W，波长355～1064nm，扫描速度1～1000mm/s，脉冲频率10～300KHz，脉冲宽度1～500ps，激光能量密度0.1～100J/cm

优选地，所述块体紫磷的尺寸为2～15mm。

优选地，表面处理选择1000～4000目砂纸对紫磷表面打磨，直至表面平滑。

优选地，承载装置为尖头玻璃试管、石英玻璃板、烧杯、硅片、镍基高温合金、凹槽载玻片、热释放胶和聚二甲硅氧烷胶中的任意一种。

本发明还公开了上述制备方法制得的激光减薄紫磷纳米片，该紫磷纳米片层数为1～10层。

本发明还公开了上述激光减薄紫磷纳米片在制备光电器件中的应用。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种激光减薄紫磷纳米片的制备方法，采用激光法剥离紫磷，充分发挥了激光法安全环保、可大批量制备以及可高质量制备紫磷纳米片的优势，可以简单快捷的在常温常压环境下大面积均匀的减薄块体紫磷的厚度，大量制备薄层紫磷纳米片，该方法有效改善了传统的机械法剥离紫磷产量小、成品率低以及液相法剥离紫磷尺寸小、有机溶剂难以去除的问题，激光轰击块体材料表面，所制得的激光减薄紫磷纳米片具有更多的活性位点，能够应用到光电领域，为光电器件的发展及应用提供解决方案。

进一步地，选择恰当的激光剥离工艺使用的参数对块体紫磷进行剥离，在该工艺参数内可成功剥离出1～10层紫磷纳米片。

进一步地，对块体紫磷进行前期表面打磨处理，获得平滑的表面，可以使后期减薄更加均匀。

进一步地，将块体紫磷置入承载装置，特殊的承载装置可更好的固定块体紫磷。

本发明还公开了上述制备方法制得的激光减薄紫磷纳米片，解决了机械法剥离的紫磷纳米片产量低、成品率低以及液相法剥离紫磷纳米片尺寸小，且有机溶剂难以去除的问题，可以大批量高质量制备、可控制其尺寸大小、安全环保。

本发明还公开了上述激光减薄紫磷纳米片在制备光电器件中的应用，随着紫磷层数减少，紫磷的带隙逐渐增大，且由间接带隙变为直接带隙，直接带隙更有利于紫磷半导体对光的吸收以及电子的跃迁，从而更适用于光电器件中，例如利用于光催化器件提高光的吸收率等。

附图说明

图1为本发明块体紫磷原始的表面形貌图；

图2为本发明实施例1制得的激光减薄紫磷纳米片的表面形貌图；

图3为本发明块体紫磷原始的拉曼图；

图4为本发明实施例1制得的激光减薄紫磷纳米片的拉曼图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明采用激光减薄的方法对化学气相传输法制备的块体紫磷进行剥离，可以大面积均匀的减薄块体紫磷的厚度，制备出薄层紫磷纳米片，激光轰击块体材料表面，所剥离的薄层紫磷纳米片具有更多的活性位点，从而进一步应用到光电领域，为光电器件的发展及其应用提供解决方案。

本发明公开的一种激光减薄紫磷纳米片的制备方法，包括以下步骤：

将块体紫磷进行前期表面处理后，放置于承载装置中，通过激光法对紫磷块体进行减薄；

其中，紫磷块体是由化学气相传输方法(CVT)制备，尺寸包括但不限于2～15mm，选择1000～4000目砂纸对紫磷表面打磨，直至表面平滑然后放置于承载装置中；

承载装置包括尖头玻璃试管、石英玻璃板、烧杯、硅片、镍基高温合金、凹槽载玻片、热释放胶以及聚二甲硅氧烷胶。

通过激光对块体紫磷进行剥离中，采用额定功率5～500W、波长355～1064nm的连续激光器；额定功率5～500W、波长355～1064nm的纳秒激光器；额定功率为5～500W，波长355～1064nm的飞秒激光器；额定功率为5～500W、波长355～1064nm的皮秒激光器。

激光减薄工艺使用的参数包括：

连续激光参数：扫描速度1～1000mm/s，加工次数1～500次，激光功率密度0.01×10

纳秒激光参数：扫描速度1～1000mm/s，脉冲频率10～300KHz，激光能量密度0.1～100J/cm

飞秒激光参数：扫描速度1～1000mm/s，脉冲频率10～300KHz，脉冲宽度1～1000fs，激光能量密度0.1～100J/cm

皮秒激光参数：扫描速度1～1000mm/s，脉冲频率10～300KHz，脉冲宽度1～500ps，激光能量密度0.1～100J/cm

对所得紫磷纳米片的厚度、结构和形貌进行表征。

紫磷纳米片的层数为1～10层。

表征方法包括但不限于光学显微镜、拉曼光谱、X射线衍射、扫描电子显微镜、原子力显微镜、透射电子显微镜、高分辨率透射电子显微镜、紫外/可见/近红外漫反射测试、傅里叶红外光谱、能谱仪、光致发光、热重分析。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种激光减薄紫磷纳米片的制备方法，制备步骤如下：

将块体紫磷用2500目的砂纸进行打磨至平滑后，放置于尖头玻璃管内。通过额定功率30W、波长1064nm的纳秒激光器，设置扫描速度为10mm/s、脉冲宽度为200ns、脉冲频率为300KHz以及激光能量密度为2.4J/cm

紫磷纳米片的表征

选择光学电子显微镜、拉曼光谱对激光减薄前(见附图1、3)后(见附图2、4)的紫磷进行表征，得到了单层紫磷纳米片。

参见图1为本发明块体紫磷原始的表面形貌图；从图中可以看出块体紫磷表面十分平滑，并且呈现玫瑰金色，表明其厚度在毫米级别。

参见图2为本发明实施例1制得的激光减薄紫磷纳米片的表面形貌图；从图中可以看出其表面呈现蓝紫色，厚度低至纳米级别。

参见图3为本发明块体紫磷原始的拉曼图；从图中可以看出在353cm

参见图4为本发明实施例1制得的激光减薄紫磷纳米片的拉曼图；从图中可以看出其特征峰的位置与块体紫磷基本相同，在354cm

实施例2

一种激光减薄紫磷纳米片的制备方法，制备步骤如下：

将块体紫磷用1000目的砂纸进行打磨至平滑后，置于聚二甲硅氧烷胶内。通过额定功率5W、波长355nm的连续激光器，设置扫描速度为1mm/s、加工次数500次以及激光功率密度为0.01×10

紫磷纳米片的表征

选择光学电子显微镜和X射线衍射对激光减薄前后的紫磷进行表征，表明得到了单层紫磷纳米片。

实施例3

一种激光减薄紫磷纳米片的制备方法，制备步骤如下：

将块体紫磷用4000目的砂纸进行打磨至平滑后，置于凹槽载玻片内。通过额定功率500W、波长1064nm的连续激光器，设置扫描速度为1000mm/s、加工次数为1次以及激光功率密度为3.0×10

紫磷纳米片的表征

选择光学电子显微镜、原子力显微镜以及拉曼光谱对激光减薄前后的紫磷进行表征，得到了单层紫磷纳米片。

实施例4

一种激光减薄紫磷纳米片的制备方法，制备步骤如下：

将块体紫磷用1000目的砂纸进行打磨至平滑后，置于石英玻璃板中。通过额定功率500W、波长355nm的纳秒激光器，设置扫描速度为1000mm/s、脉冲频率300KHz、脉冲宽度500ns以及激光能量密度为100J/cm

紫磷纳米片的表征

选择扫描电子显微镜、拉曼光谱以及光致发光对激光减薄前后的紫磷进行表征，得到了单层紫磷纳米片。

实施例5

一种激光减薄紫磷纳米片的制备方法，制备步骤如下：

将块体紫磷用4000目的砂纸进行打磨至平滑后，置于烧杯中。通过额定功率500W、波长355nm的皮秒激光器，设置扫描速度为1000mm/s、脉冲频率10KHz、脉冲宽度500ps以及激光能量密度为100J/cm

紫磷纳米片的表征

选择透射电子显微镜、原子力显微镜以及傅里叶红外光谱对激光减薄前后的紫磷进行表征，得到了单层紫磷纳米片。

实施例6

一种激光减薄紫磷纳米片的制备方法，制备步骤如下：

将块体紫磷用1000目的砂纸进行打磨至平滑后，置于烧杯中。通过额定功率5W、波长1064nm的皮秒激光器，设置扫描速度为1mm/s、脉冲频率300KHz、脉冲宽度1ps以及激光能量密度为0.1J/cm

紫磷纳米片的表征

选择高分辨率透射电子显微镜、紫外/可见/近红外漫反射测试以及傅里叶红外光谱对激光减薄前后的紫磷进行表征，得到了单层紫磷纳米片。

实施例7

一种激光减薄紫磷纳米片的制备方法，制备步骤如下：

将块体紫磷用4000目的砂纸进行打磨至平滑后，置于聚二甲硅氧烷胶中。通过额定功率5W、波长355nm的飞秒激光器，设置扫描速度为1mm/s、脉冲频率300KHz、脉冲宽度1fs以及激光能量密度为0.1J/cm

紫磷纳米片的表征

选择光学电子显微镜、紫外/可见/近红外漫反射测试以及傅里叶红外光谱对激光减薄前后的紫磷进行表征，得到了单层紫磷纳米片。

实施例8

一种激光减薄紫磷纳米片的制备方法，制备步骤如下：

将块体紫磷用1000目的砂纸进行打磨至平滑后，置于凹槽载玻片中。通过额定功率500W、波长355nm的飞秒激光器，设置扫描速度为1000mm/s、脉冲频率10KHz、脉冲宽度1000fs以及激光能量密度为100J/cm

紫磷纳米片的表征

选择光学电子显微镜、拉曼光谱以及傅里叶红外光谱对激光减薄前后的紫磷进行表征，得到了单层紫磷纳米片。

实施例9

一种激光减薄紫磷纳米片的制备方法，制备步骤如下：

将块体紫磷用2000目的砂纸进行打磨至平滑后，置于镍基高温合金中。通过额定功率100W、波长488nm的连续激光器，设置扫描速度为50mm/s、加工次数200次以及激光功率密度为1.0×10

紫磷纳米片的表征

选择光学电子显微镜、原子力显微镜以及傅里叶红外光谱对激光减薄前后的紫磷进行表征，得到了单层紫磷纳米片。

实施例10

一种激光减薄紫磷纳米片的制备方法，制备步骤如下：

将块体紫磷用1500目的砂纸进行打磨至平滑后，置于石英玻璃板中。通过额定功率5W、波长532nm的纳秒激光器，设置扫描速度为1mm/s、脉冲频率为10KHz、脉冲宽度为1ns以及激光能量密度为0.1J/cm

紫磷纳米片的表征

选择透射电子显微镜、原子力显微镜以及拉曼光谱对激光减薄前后的紫磷进行表征，得到了单层紫磷纳米片。

上述10个实施例采用了不同的剥离方式以及不同的激光辐照参数，制备出1～10层的紫磷纳米片。

综上所述，本发明一种激光减薄紫磷纳米片的制备方法，首先对化学气相传输法制备的紫磷进行表面平滑处理后，放置于可固定块体紫磷的承载装置中，采用连续或脉冲激光器对块体紫磷进行辐照，从而制备紫磷纳米片。这种方法的制备过程安全环保，与传统的机械法剥离紫磷相比，激光剥离紫磷的产量大，省时省力；与液相法剥离紫磷相比，激光剥离的紫磷质量高，尺寸小，并且能激光轰击块体材料表面，所剥离的少层紫磷具有更多的活性位点，为紫磷纳米片在光电领域的应用提供解决方案。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。