气相传输法制备大尺寸单晶Bi2Se3纳米片、纳米带
李小帅1, 王增梅1,2, 朱鸣芳3, 王善朋2, 陶绪堂2, 陆骏1, 陈兴涛1, 徐佳乐1
1. 东南大学 江苏省土木工程材料重点实验室, 南京211189
2. 山东大学 晶体材料国家重点实验室, 济南250100
3. 东南大学 江苏省先进金属材料高技术研究重点实验室, 南京211189
通讯作者: 王增梅, 教授. E-mail:zmwangster@gmail.com

作者简介: 李小帅(1990-), 男, 硕士研究生. E-mail:lixsseu@163.com

摘要

低维Bi2Se3纳米材料是最新研究发现的一种新型三维拓扑绝缘体材料, 在微电子器件和传感器领域具有广阔的应用前景。本研究采用气相传输法在真空石英管中合成了大尺寸单晶Bi2Se3纳米片、纳米带。通过XRD、EDS、Raman、SEM等手段对Bi2Se3纳米片、纳米带的物相结构、组成、表面形貌等进行表征。测试结果表明: 气相传输法合成的单晶Bi2Se3纳米片、纳米带相纯度高, 结晶性能好, 均是{001}取向; Bi2Se3纳米片水平尺寸大, 约为15~180 μm; Bi2Se3纳米带长度达860 μm, 宽度约5 μm。根据不同温度下制备的Bi2Se3纳米片、纳米带SEM照片及其不同方向结合能的差异, 分析了其可能的生长机制: 在较高温度下沿<001>和方向生长速度快, 生成大尺寸单晶Bi2Se3纳米片; 在较低温度下, 沿方向生长速度快, 生成大尺寸单晶Bi2Se3纳米带。这些研究结果完善了大尺寸Bi2Se3纳米材料的制备工艺, 有望在微电子器件领域得到商业化应用。

关键词: 气相传输法; Bi2Se3纳米片; Bi2Se3纳米带
中图分类号:TB34   文献标志码:A    文章编号:1000-324X(2014)11-1199-05
Synthesis of Jumbo-size Single Crystalline Bi2Se3Nanoplates and Nanoribbons by Vapor Transportation
LI Xiao-Shuai1, WANG Zeng-Mei1,2, ZHU Ming-Fang3, WANG Shan-Peng2, TAO Xu-Tang2, LU Jun1, CHEN Xing-Tao1, XU Jia-Le1
1. Jiangsu Key Laboratory of Construction Materials, Southeast University, Nanjing 211189, China
2. State Key Laboratory of Crystal Materials, Shandong University, Jinan, 250100, China
3. Jiangsu Key Laboratory of Advanced Metallic Materials, Southeast University, Nanjing 211189, China
Abstract

Low-dimensional Bi2Se3nanomaterials were discovered to be new three-dimensional (3D) topological insulators (TIs) recently, which have broad application prospect in the field of microelectronic devices and sensors. Single crystalline Bi2Se3nanoplates (NPs) and nanoribbons (NRs) with jumbo size were synthesized in the vacuum quartz tubevia vapor transportation. The crystal structure, composition and morphology of the as-prepared Bi2Se3NPs and NRs were analyzed by XRD, EDS, Raman and SEM. It is found that both of the two specimens are well-crystallized in the direction of {001} with a high purity. Bi2Se3NPs have a large lateral size of 15-180 μm, while Bi2Se3NRs have a large length of 860 μm and a width of about 5 μm. Besides, the probable growth mechanism is proposed based on the analysis of the SEM images of Bi2Se3NPs and NRs prepared at different temperatures and the binding energy difference along different directions. Bi2Se3 has a quicker growth speed along <001> and directions in relatively high temperature to form single crystalline NPs with large lateral size, while it grows faster along direction in lower temperature to get single crystalline NRs with large length. All these results not only improve the preparation process of Bi2Se3nanomaterials with jumbo size, but also promote the commercial use in the field of microelectronic devices.

Keyword: vapor transportation; Bi2Se3 nanoplates; Bi2Se3 nanoribbons

A2B3(A=Bi, Sb; B=Se, Te)硫族化合物作为传统的热电材料, 因其室温下具有优异的热电性能, 一直是热电领域的研究热点[ 1, 2]。近年来, 传统热电材料开始向低维方向发展。理论预测与实验研究均表明, 低维材料具有更高的热电优值[ 3, 4], 因为低维化使材料费米面附近载流子具有更高的态密度, 同时增加了界面处声子散射, 并且降低了晶格热导率。此外, 近几年的研究表明, Bi2Se3/Bi2Te3是一种新型的三维拓扑绝缘体材料[ 5, 6, 7], 具有表面导电、内部绝缘的特性。Bi2Se3因其简单的能带结构(表面有一个狄拉克锥)和较宽的体带系(0.3 eV), 使其成为研究拓扑绝缘性质的理想材料。Xiu等[ 8]制备了Bi2Se3/ Bi2Te3电子器件, 系统研究了各种拓扑特性(自旋量子霍尔效应、Aharonow-Bohm效应等); Liu等[ 9]在研究上述特性的同时, 探究了其超导近邻特性与电子传输特性的关系。这些研究使得其在下一代自旋器件、光学器件、光敏器件及低能耗电子器件中具有潜在的应用前景[ 10, 11, 12]。然而, 对于块状Bi2Se3, 在费米面附近具有很高的体能带密度, 掩盖了拓扑绝缘体表面态的独特物性, 因此必须控制过量的体载流子[ 13]。迄今为止, 材料工作者尝试了很多方法降低体载流子[ 14, 15]。研究表明, 增大Bi2Se3比表面积是一种有效的方法, 制备低维Bi2Se3纳米片、纳米带随之成为研究的热点之一。

目前报道的制备Bi2Se3纳米片、纳米带的方法很多, 主要有溶剂热法[ 16]、化学浴沉积[ 17](CBD)、分子束外延法[ 18, 19](MBE)、机械剥离[ 3]等。气相传输法(Vapor Transportation, VT)是近年来研究较多的一种方法, Kong[ 20]、Zhao[ 21]、Li[ 22]等先后分别用VT法合成了Bi2Se3/Bi2Te3纳米片、纳米带。然而他们制备的纳米片、纳米带尺寸较小, 且有的使用Au纳米粒子作为催化剂, 不可避免的会掺入到样品中, 引入杂质, 掩盖低维Bi2Se3的拓扑绝缘特性, 这些都会限制低维Bi2Se3材料的实际应用。本研究采用VT法制备了水平尺寸达几百微米甚至毫米级的超大尺寸Bi2Se3纳米片、纳米带, 并对其物相与形貌进行了分析表征, 重点探究了其可能的生长机制, 完善了大尺寸Bi2Se3纳米片、纳米带的制备工艺, 有望加快低维Bi2Se3材料的商业化生产应用步伐。

1 实验方法
1.1 样品制备

Bi2Se3纳米片、纳米带的制备分两步进行: 1) 制备Bi2Se3块体, 提供原料; 2) 利用VT法生长Bi2Se3纳米片、纳米带。具体制备过程如下:

Bi2Se3块体采用高温真空熔炼制备, 过程如下: 1) 按照化学计量比称取一定量的铋粉和硒粉, 装入内径15 mm的石英管中, 用分子泵将石英管抽真空至3×10-3Pa, 并密封; 2) 将石英管倾斜放入真空管式炉中, 升温至750 ℃, 并保温70 h, 随炉冷却至室温, 打开石英管, 得到Bi2Se3块体。

Bi2Se3纳米片采用VT法制备, 过程如下: 1) 将上述制备好的Bi2Se3块体研磨成粉末, 称取0.1 mmol Bi2Se3粉末, 装入一端封闭内径8 mm的石英管一端, 另一端垂直放入Si衬底, 抽真空至3×10-3 Pa, 密封石英管; 2) 将石英管水平放入真空管式炉中, 原料端温度设置为700 ℃, 衬底端温度设为350℃~ 450℃, 保温24 h, 随炉冷却。实验装置示意图如图1所示。

1.2 样品表征

样品的物相结构采用X射线衍射仪(XRD, Bruker D8-Discover, Cu Kα辐射)进行表征; 利用能谱仪(EDS, genesis) 分析样品的元素含量; 采用共聚焦拉曼光谱仪(Raman, LabRAM HR UV-Visible)进一步对物相进行鉴定, 分析样品的结构。采用场发射扫描电镜(SEM, Sirion 200, 20 kV)分析样品的表面形貌特征。

图1 气相传输法制备Bi2Se3纳米片、纳米带实验装置示意图Fig. 1 Schematic of experimental setup for the synthesis of Bi2Se3nanoplates and nanoribbons with vapor transportationⅠ: 700℃; Ⅱ: 350℃-450℃

2 结果与讨论
2.1 物相与结构分析

图2为高温真空熔炼制备的Bi2Se3块体, 呈银白色金属光泽。该块体被敲碎后, 会得到很多Bi2Se3薄片。仔细观察发现, 这些薄片是由厚度更小的很多薄片组成, 显示出Bi2Se3的层状结构特征。层间结构致密, 表明合成了质量较好的Bi2Se3块体。

图2 高温真空熔炼制备的Bi2Se3块体Fig. 2 Bulk Bi2Se3 synthesized by vacuum melting at high temperature

Bi2Se3块体、Bi2Se3纳米片和Bi2Se3纳米带的XRD图谱如图3所示。从图中可以看出, Bi2Se3块体、Bi2Se3纳米片和Bi2Se3纳米带的所有衍射峰都与其标准衍射图谱(JCPDS 33-214)相吻合, 且衍射峰强度较高, 没有杂峰出现, 表明合成的是纯Bi2Se3相, 且结晶性很好。Bi2Se3块体的三个主峰是 (006)、(0, 0, 15)和(0, 0, 21), 都属于{001}晶面族, 此外, 在{101}面上有较低的两个衍射峰出现, 分别为(104)和(1, 0, 16), 说明合成的Bi2Se3块体主要是(001)取向, 还有部分为(101)取向。而Bi2Se3纳米片和纳米带仅有三个取向为(006)、(0, 0, 15)和(0, 0, 21) (该峰被基底SiO2强烈的衍射峰掩盖, 没有单独显示) 的主峰, 均属于{001}晶面族, 在{101}晶面有极微弱的衍射峰出现, 可以忽略不计, 表明VT法制备的均为{001}取向的大尺寸单晶Bi2Se3纳米片和纳米带。

图3 Bi2Se3块体、纳米片和纳米带的XRD图谱Fig. 3 XRD patterns of bulk Bi2Se3, Bi2Se3nanoplates and Bi2Se3nanoribbons

Bi2Se3纳米片和Bi2Se3纳米带的能谱图(EDS)如图4(a, b)所示, 强烈的Si峰来自衬底。Bi2Se3纳米片和Bi2Se3纳米带中元素Bi和Se的化学计量比分别为40.11: 59.89和39.11: 60.89, 均近似于2: 3, 可以看成是Bi2Se3的标准化学计量比, 表明合成的是纯的Bi2Se3相。

图4 Bi2Se3纳米片(a)和Bi2Se3纳米带(b)的EDS图谱Fig. 4 EDS spectra of Bi2Se3nanoplates (a) and Bi2Se3nanoribbons (b)

采用拉曼光谱法分析了Bi2Se3材料的组成和结构[ 23], 图5为Bi2Se3块体、Bi2Se3纳米片和Bi2Se3纳米带的拉曼光谱图, 激发波长为514 nm, 光斑作用直径约1 μm。受限于仪器波数测量范围, 本实验只得到Bi2Se3的两个高波数特征峰,表示层间面内振动模式(in-plane vibrational mode), 原子在面内沿水平方向振动;表示面外振动模式(out-plane vibrational mode), 原子沿垂直于面方向振动[ 24], 峰值高低反映了其振动强弱。图中两特征峰分别对应131 cm-1和174 cm-1, 与其标准拉曼特征峰值一致, 表明合成的是纯Bi2Se3相。Bi2Se3块体的特征峰很弱, 明显低于Bi2Se3纳米片和Bi2Se3纳米带, 因为Bi2Se3块体厚度大, 原子的振动受到极大限制, 极化率降低, 因此振动较弱; Bi2Se3纳米带的峰值最强, 主要是纳米带较窄, 且厚度相对较小, 原子振动受到的限制作用最小, 极化率较高, 因此具有较大的振动强度[ 25]; 两个Bi2Se3纳米片的峰值强度介于块体与纳米带之间, 且二者之间有少量差异, 这与两纳米片的厚度及微区结构差异有关。仔细观察还可发现, Bi2Se3纳米带的特征峰发生了红移(red shift), 约3~4 cm-1, 可能是缺陷引起的声子限域效应, 使得能隙减小, 产生红移[ 26]

图5 Bi2Se3块体、纳米片和纳米带的Raman光谱Fig. 5 Raman spectra of bulk Bi2Se3, Bi2Se3nanoplates and Bi2Se3nanoribbons

2.2 样品形貌及生长机理分析

Bi2Se3纳米片和纳米带的制备可以通过调节衬底端温度来控制。当衬底端温度为~450℃时, 得到Bi2Se3纳米片; 当衬底端温度为~350℃时, 得到Bi2Se3纳米带。

图6(a~d)为~450℃时得到的Bi2Se3纳米片的扫描电镜照片。图6(a, b)中Bi2Se3纳米片呈规则的平行四边形状, 两个夹角分别为60°和120°, 水平尺寸约15~180 μm, 可以看成是Bi2Se3本征六边形结构沿(0001)面结合。而纳米片表面光滑, 无明显杂质。图6(c, d)中Bi2Se3纳米片水平尺寸约20~30 μm, 从图6(c)中可以明显看出, 该纳米片的右下角长出一个尺寸约3 μm的六边形Bi2Se3纳米片, 3个面形成台阶(如图中箭头所示)。图6(d)中Bi2Se3纳米片为规则的六边形状, 层状结构清晰可见(如图中箭头所示), 层与层之间以台阶方式堆叠, 属于典型的台阶生长机制[ 10, 27]: 原子以底部晶格为模板, 按本征结构形核长大, 逐渐产生台阶, 是一个螺旋长大的过程。

图6(e~h)为~350℃时制备的Bi2Se3纳米带的扫描电镜照片。 图6(e)中Bi2Se3纳米带长度达860 μm, 宽度约5 μm, 高倍图像显示纳米带表面平整, 粗糙度很低, 足以用来制备Bi2Se3微电子器件, 图6(g)中Bi2Se3纳米带尺寸相对较小, 长度约100 μm, 宽度约1.8 μm。该纳米带上部覆盖一层尺寸更大更薄的Bi2Se3纳米带, 可能是依附在该纳米带上生长所得。此外, 在该纳米带旁边, 长出一个长度约10 μm, 宽度约1.6 μm的超薄Bi2Se3纳米带, 可以清晰看到衬底。在该纳米带下面, 同样有一个尺寸稍小的Bi2Se3纳米带, 可能是依附在该纳米带上生长。

图6 不同放大倍数下Bi2Se3纳米片(a~d)、Bi2Se3纳米带(e~h)的SEM照片Fig. 6 SEM images of Bi2Se3nanoplates (a-d) and Bi2Se3nanoribbons (e-h) at different magnifications

基于不同温度下制备的Bi2Se3纳米片和纳米带的SEM照片, 本实验分析了Bi2Se3可能的生长机制。Bi2Se3是层状菱形斜六面体晶体结构, 在<001>方向由组成为Se-Bi-Se-Bi-Se的一个个单元层组 成[ 28, 29], 层内原子由很强的共价键连接, 而单元层之间靠很弱的范德华力连接。由于各向异性的结构特征, Bi2Se3不同面之间结合能不同, 因此沿不同方向的生长速率不同[ 30]。Bi2Se3沿<001>和方向的结合能高于方向, 在较高温度(~450℃)时, 气体分子有很高的能量, 足以克服<001>方向和方向的结合能, 因此在该方向有较高的生长速率, 进行外延和堆叠生长, 生成图6(a~d) 所示Bi2Se3纳米片; 当温度较低时(~350℃), 气体分子能量不足以克服<001>方向和方向的结合能,方向的生长起主导作用, 生成图6(e~h) 中Bi2Se3纳米带。可以推测, 如果进一步降低形核温度(能量仍足以克服结合能), 很可能会生成 Bi2Se3纳米线, 这一假设也在Yan等[ 30]的研究中得到验证。

3 结论

利用VT法, 成功在真空石英管中合成了超大尺寸单晶Bi2Se3纳米片、纳米带。Bi2Se3纳米片水平尺寸大, 约为15~180 μm, 相纯度高, 结晶性好; Bi2Se3纳米带长度达860 μm, 宽度约5 μm, 结晶性能好, 足以用来制备Bi2Se3微电子器件。根据Bi2Se3纳米片、纳米带不同方向结合能不同, 分析了其在不同温度下的生长机制; 在较高温度下倾向于沿<001>和方向按外延和螺旋生长机制生成大尺寸Bi2Se3纳米片; 温度较低时, 倾向于沿方向生成超长Bi2Se3纳米带。这些研究结果丰富了大尺寸Bi2Se3纳米材料的制备方法, 有望推动其在微电子器件领域的商业化应用。

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