一种高质量UAs2单晶的双温区气相输运生长方法

技术领域

本发明涉及晶体生长的技术领域，更具体的是涉及一种高质量UAs

背景技术

重费米子体系属于复杂的强关联电子体系，因为其复杂的准粒子相互作用而存在很多量子特性，在实际生产生活中，也具有广阔的应用前景。比如该体系中许多材料具有重费米子超导特性，在一定的条件下可以实现无电损耗的导电，大大提高了输运用电的效率，可以有效的节约能源。在该体系中，还存在很多磁性材料，这些磁性材料在一定条件下可以发生磁性转变，能够应用于磁性存储介质、自旋器件等依靠磁性设备中。除此以外，该体系中还有很多材料属于热电材料体系，其较大的热电系数能够提高热电转换的效率，具有解决当前能源危机的潜力应用背景。另外，该体系中许多材料存在量子临界效应，对于量子计算的研究和应用同样具有重要价值。因此对该类材料的探索具有十分重要的意义。

重费米子体系主要包括镧系、锕系等含有f电子的相关化合物，例如铈基、镱基、铀基、钚基等材料。该体系材料的性质主要由f电子的行为决定。一般而言，f电子在高温下处于局域状态，同时f电子本身具有一定的自旋磁矩，高温下表现为典型的居里-外斯顺磁性。随着温度降低，导带电子逐渐与局域的f电子磁矩进行反铁磁耦合，f电子受到导带电子的磁屏蔽，表现为迅游的重准粒子，并在费米能附近产生较大的涨落，使得重费米子材料中出现一系列的量子特性，如，非常规超导、磁有序相、非费米液体行为和隐藏序等。

UAs2(二砷化铀或铀砷二)，UAs

UAs

(1)、现有方法制备的UAs2单晶，由于反应过程中具有较高的生长和反应温度，而U和As都具有较强的活性，很容易会产生一系列的杂质和有毒有害的副产物(例如氧化铀，俗称砒霜)，导致制备的UAs

因此，目前迫切需要一种能稳定安全绿色生长高质量UAs2单晶样品的方法，以为研究和应用提供合适的高质量样品。

发明内容

本发明的目的在于：为了解决现有方法制备的UAs

本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：

一种高质量UAs

S1、准备纯度大于等于99.9％的U

S2、对U

S3、将步骤S1中的As原料和I

S4、在手套箱中，将U

S5、经过步骤S4处理的气相输运管中放入石英塞，在手套箱内惰性气体环境内对气相输运管进行密封后，取出手套箱；

S6、将经过步骤S5处理的气相输运管进行抽真空处理，真空度小于等于1*10

S7、将经过步骤S6处理的气相输运管进行密封，使得气相输运管融化处完全贴合石英塞；

S8、将经过步骤S7处理的气相输运管放入双温区管式炉中，放有原料的为反应端，反应端温度控制在900±10℃，石英塞处为密封端，密封端温度控制在750±10℃，气相输运管经过升温处理后在进行保温处理，降温到室温；

S9、取出经过步骤S8处理的气相输运管，破开气相输运管，厘米级的UAs

本方案中，将U

进一步地，步骤S2中，在大气环境中，对气相输运管和石英塞进行内外壁的超声无水乙醇清洗5～10分钟，然后取出擦干后，与手动挡板阀一起放入手套箱中。

本方案中，对气相输运管和石英塞进行清洗和擦干的目的是避免引入额外杂质，提高产品的纯度，另外气相输运管选择长度为30cm的气相输运石英管，在气相输运石英管距开口10cm处设置一个固定石英塞的内缩结构。

进一步地，步骤S2中，将手套箱内的U

本方案中，对U

进一步地，步骤S2中，采用大于等于1200目的细砂纸对U

本方案中，采用大于等于1200目的细砂纸对U原料进行打磨，才能达到有效除去表面杂质的作用，否则会引入额外的杂质。

进一步地，步骤S3中，惰性气体为纯度大于等于99.99％的高纯氩气或高纯氮气。

本方案中，高纯度惰性气体选择为高纯氩气或高纯氮气，优选为高纯氩气，手套箱中充满高纯度氩气或高纯氮气的目的是避免引入额外杂质。

进一步地，步骤S4中，气相输运管需要0.15～0.25g的I

进一步地，步骤S5中，U

进一步地，步骤S6中，使用机械泵+分子泵对密封好的气相输运管进行抽真空处理，该机械泵+分子泵需将气相输运管内真空抽到真空度小于等于1*10

本方案中，机械泵+分子泵的抽真空方式是一种优选抽真空方式，两种泵的抽真空方式具有高效抽真空的有点。

进一步地，步骤S7中，此时先打开水焊机，再立马将气相输运管挡板阀关闭后，迅速取下气相输运管；利用水焊机对气相输运管进行密封，使得气相输运管融化处完全贴合石英塞。

本方案中，需要点燃水焊机，取下气相输运管后第一时间进行密封，否则会使得气相输运管内真空不符合真空度为0.9～1.110

进一步地，步骤S8中，设置气相输运管两端升温时间为8～10h，反应端升到900±10℃，密封端升到750±10℃，并保温72h～120h，保温结束后，自然降温到室温。

本方案中，保温时间会影响所得单晶样品的大小，需按照原料越多，保温时间适当延长的方式调整。

本发明的有益效果如下：

1、将U

2、本发明所制备出的UAs

3、对气相输运管和石英塞进行清洗和擦干的目的是避免引入额外杂质，提高产品的纯度

4、能够有效缩短样品制备周期，且易于操作，危害性小，无有害副产品，成本较低。本发明方法一般提前准备+获得大批量高质量单晶时间在5天左右，易于推广应用，具有较好的应用前景。

5、生长温度和时间保证了获得大尺寸单晶样品的关键，时间太短，升温太快会导致生长单晶质量变差，甚至生长失败；时间太长会使得有毒有害副产物增多，影响单晶质量；

6、对U

附图说明

图1是实施例1中制备的UAs2单晶样品的表面原子排布和单晶样品；

图2是实施例2中制备的UAs2单晶样品的表面原子排布和单晶样品；

图3是实施例3中制备的UAs2单晶样品的表面原子排布和单晶样品；

图4是对比例1中制备的UAs2单晶样品的表面原子排布和单晶样品；

图5是采用实施例1-3的方法制备的UAs2单晶样品a-b平面内的电阻率输运特性曲线图；

图6是采用实施例1-3的方法制备的UAs2晶体结构和低能电子衍射结果图；

图7是实施例1-3中制备的高质量UAs2单晶样品的变温角分辨光电子能谱数据图；a1-a6为UAs2单晶的变温能带结构图，(b1-b2)为图(a1-a6)图中Γ点附近和M电附近的角积分光电子能谱图；

图8是实施例1-3中副产物晶体砷的显微镜图象。

具体实施方式

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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施方式的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例1

一种高质量UAs

S1、准备纯度为99.9％的U

S2、对U

在大气环境中，对气相输运管和石英塞进行内外壁的超声无水乙醇清洗5分钟，然后取出擦干后，与手动挡板阀一起放入手套箱中；将手套箱内的U

S3、将步骤S1中的As原料和I

S4、在手套箱中，将U

S5、U

S6、将经过步骤S5处理的气相输运管使用机械泵+分子泵进行抽真空处理，该机械泵+分子泵需将气相输运管内真空抽到真空度为0.7*10

S7、将经过步骤S6处理的气相输运管用水焊机进行密封，先打开水焊机，再立马将气相输运管挡板阀关闭后，迅速取下气相输运管；利用水焊机对气相输运管进行密封，使得气相输运管融化处完全贴合石英塞；

S8、将经过步骤S7处理的气相输运管放入双温区管式炉中，放有原料的为反应端，石英塞处为密封端，设置气相输运管两端升温时间为8h，反应端升到890℃，密封端升到740℃，并保温72h，保温结束后，自然降温到室温；

S9、取出经过步骤S8处理的气相输运管，破开气相输运管，厘米级的UAs

图1是实施例1中制备的UAs

本实施例的方法制备的UAs

实施例2

一种高质量UAs

S1、准备纯度为99.97％的U

S2、对

在大气环境中，对气相输运管和石英塞进行内外壁的超声无水乙醇清洗10分钟，然后取出擦干后，与手动挡板阀一起放入手套箱中；将手套箱内的U

S3、将步骤S1中的As原料和I

S4、在手套箱中，将U

S5、

S6、将经过步骤S5处理的气相输运管使用机械泵+分子泵进行抽真空处理，该机械泵+分子泵需将气相输运管内真空抽到真空度为1*10

S7、将经过步骤S6处理的气相输运管用水焊机进行密封，先打开水焊机，再立马将气相输运管挡板阀关闭后，迅速取下气相输运管；利用水焊机对气相输运管进行密封，使得气相输运管融化处完全贴合石英塞；

S8、将经过步骤S7处理的气相输运管放入双温区管式炉中，放有原料的为反应端，石英塞处为密封端，设置气相输运管两端升温时间为10h，反应端升到910℃，密封端升到760℃，并保温120h，保温结束后，自然降温到室温；

S9、取出经过步骤S8处理的气相输运管，破开气相输运管，厘米级的UAs

图2是实施例2中制备的UAs

本实施例的方法制备的UAs

实施例3

一种高质量UAs

S1、准备纯度为99.92％的U

S2、对U

在大气环境中，对气相输运管和石英塞进行内外壁的超声无水乙醇清洗8分钟，然后取出擦干后，与手动挡板阀一起放入手套箱中；将手套箱内的U

S3、将步骤S1中的As原料和I

S4、在手套箱中，将U

S5、U

S6、将经过步骤S5处理的气相输运管使用机械泵+分子泵进行抽真空处理，该机械泵+分子泵需将气相输运管内真空抽到真空度为0.9*10

S7、将经过步骤S6处理的气相输运管用水焊机进行密封，先打开水焊机，再立马将气相输运管挡板阀关闭后，迅速取下气相输运管；利用水焊机对气相输运管进行密封，使得气相输运管融化处完全贴合石英塞；

S8、将经过步骤S7处理的气相输运管放入双温区管式炉中，放有原料的为反应端，石英塞处为密封端，设置气相输运管两端升温时间为9h，反应端升到900℃，密封端升到750℃，并保温100h，保温结束后，自然降温到室温；

S9、取出经过步骤S8处理的气相输运管，破开气相输运管，厘米级的UAs

图3是实施例3中制备的UAs

另外本实施例制备的UAs

图5是采用实施例1-3的方法制备的UAs

使用本专利方法生长的样品呈现出规则的273K反铁磁转变温度，电阻率曲线的剩余电阻率之比为240+以上，说明了样品中缺陷极少且杂质含量低。

图6是采用实施例1-3的方法制备的UAs

图7是实施例1-3中制备的高质量UAs

图8是实施例1-3中副产物晶体砷的显微镜图象。左图显示该副产物为纯灰砷，表面光洁，呈现出良好的单晶特征，为生长过程中最为主要的副产物。右图为该纯灰砷的电子费米面，该数据质量很高，说明了该生长方法有效避免了有毒有害副产物的出现，使得主要副产物为具有一定利用价值的高质量纯灰砷晶体。

对比例1

如图4是按照以往文献方法制备的UAs

另外，该方法制备的UAs

表1为实施例1-3及对比例1中制备的UAs