一种制备金属单元素二维拓扑材料的加工方法及系统

摘要

本发明涉及金属单元素二维拓扑材料领域，公开了一种制备金属单元素二维拓扑材料的加工方法及系统。所述加工方法包括如下内容：将金属单质粉末与氧化锆颗粒混合；将所述混合物装入陶瓷反应管内并以惰性电极固定在密闭保护腔内，营造真空保护气氛；对混合物进行高压放电加工，再进行快速低温冷却；取出反应生成物进行筛滤，去除氧化锆颗粒，得到金属单元素二维拓扑材料。所述加工方法可以将金属单质粉末转化成金属单元素二维拓扑材料，原材料成本低，工艺简单，避免了有毒化学试剂的使用，避免了高成本高精密设备的使用，满足低成本、绿色环保、可持续发展等需求。

权利要求

1.一种制备金属单元素二维拓扑材料的加工方法，其特征在于，包括如下内容：将金属单质粉末与氧化锆颗粒混合，得到混合物；

将所述混合物装入陶瓷反应管内并以惰性电极固定在密闭保护腔内，营造真空保护气氛；

对混合物进行高压放电加工，再进行快速低温冷却，得到反应生产物；

取出反应生成物进行筛滤，去除氧化锆颗粒，得到金属单元素二维拓扑材料；

所述氧化锆颗粒粒径选取在2～3mm。

2.根据权利要求1所述的一种制备金属单元素二维拓扑材料的加工方法，其特征在于，所述陶瓷反应管采用氧化铝陶瓷或氮化铝陶瓷制成，所述陶瓷反应管的管内直径为5～

10mm。

3.根据权利要求2所述的一种制备金属单元素二维拓扑材料的加工方法，其特征在于，所述惰性电极采用金、铂、银、铜或石墨制成。

4.根据权利要求3所述的一种制备金属单元素二维拓扑材料的加工方法，其特征在于，营造真空保护气氛时，真空保护气氛的真空度控制在1～10Pa。

5.根据权利要求4所述的一种制备金属单元素二维拓扑材料的加工方法，其特征在于，所述金属单质粉末为锗粉末、锡粉末、锑粉末或铋粉末。

6.根据权利要求5所述的一种制备金属单元素二维拓扑材料的加工方法，其特征在于，所述对混合物进行高压放电加工的步骤中包括如下内容：根据不同的金属单质粉末，选择电容组合x mF接入储能电路，调定充电电压y V和充电电流z A进行充电；

接通与反应腔装置的连接电路，通过无线发送器控制，对所述混合物进行放电加工，并通过延时设定打开快速低温冷却系统，向密闭保护腔内通入液氮，进行冷却。

7.一种加工系统，其特征在于，应用如权利要求1至6中任意一项所述的一种制备金属单元素二维拓扑材料的加工方法；所述加工系统包括：瞬时高压强流放电系统、快速低温冷却系统和反应腔装置；

所述高压强流放电系统包括电容储能阵列、高压充放电控制模块和无线控制模块；所述电容储能阵列由若干个高压电容组成，各个所述高压电容设有电路开关，所述电路开关用于控制所述高压电容的供电电路接入或断开；所述无线控制模块与所述高压充放电控制模块电联接；所述电容储能阵列设有透明保护罩；

所述快速低温冷却系统包括液氮储存储单元、流道开关单元和液氮引流管道；所述流道开关单元由机械开关和延时控制器件组成；

所述的反应腔装置包括陶瓷反应管、惰性电极、密闭保护腔、抽排气系统和反应电路模块；所述陶瓷反应管设置于所述密闭保护腔内；所述抽排气系统用于将所述密闭保护腔内的气体抽出；所述惰性电极分别安装于所述陶瓷反应管的两端；所述反应电路模块与所述惰性电极和抽排气系统电联接；

所述氮储存储单元通过所述液氮引流管道与所述陶瓷反应管连通；

所述高压电容的供电电路、延时控制器件和所述反应电路模块电联接。

说明书

一种制备金属单元素二维拓扑材料的加工方法及系统

技术领域

[0001] 本发明涉及金属单元素二维拓扑材料领域，特别是一种制备金属单元素二维拓扑材料的加工方法及系统。

背景技术

[0002] 金属单元素二维拓扑材料具有丰富的物理化学性质以及广阔的应该用前景。很多主族元素都可以形成稳定得单层结构，从而具有由于自旋轨道耦合作用产生的量子自旋霍
尔效应。存在量子自旋霍尔效应的二维拓扑材料即量子自旋霍尔绝缘体其体内具有由于自
旋轨道耦合打开的拓扑能隙，而边界则存在受拓扑保护的导电通道,可以实现无耗散电子
输运。

[0003] 目前，金属单元素二维拓扑材料研究的制备方法主要有机械剥离、化学剥离、化学气相沉积、分子束外延等等，其中，机械剥离需要存在对应的层状单质，对于IV族的金属单
元素二维拓扑材料，无法采用这一方法制备；化学剥离也不是一种广谱的制备手段，只对于
制备多元的二维拓扑材料十分有用；分子束外延方法是在超高真空环境中通过加热单质原
材料蒸发形成原子和分子团簇，再沉积到表面聚合形成二维拓扑材料，该方法需要超高的
真空环境，对加工条件和加工设备要求较高。这些方法对材料和加工条件都有一定的限制，
因此亟需一种较低加工条件要求和谱适于多种材料的金属单元素二维拓扑材料制备方法。

发明内容

[0004] 针对上述缺陷，本发明的目的在于提出一种制备金属单元素二维拓扑材料的加工方法及系统，用于解决现有加工方法中对加工条件和加工设备要求苛刻，不便于广泛实施
应用的问题。

[0005] 为达此目的，本发明采用以下技术方案：

[0006] 一种制备金属单元素二维拓扑材料的加工方法，其包括如下内容：

[0007] 将金属单质粉末与氧化锆颗粒混合，得到混合物；

[0008] 将所述混合物装入陶瓷反应管内并以惰性电极固定在密闭保护腔内，营造真空保护气氛；

[0009] 对混合物进行高压放电加工，再进行快速低温冷却，得到反应生产物；

[0010] 取出反应生成物进行筛滤，去除氧化锆颗粒，得到金属单元素二维拓扑材料。

[0011] 更优的，所述氧化锆颗粒粒径选取在2～3mm。所述氧化锆颗粒在所述混合物中起到提高所述混合物高温导电性的作用，所述氧化锆颗粒的粒径过大会导致金属单质粉末之
间无法很好接触，颗粒过小对高温导电性的提高作用不明显，使得最终制备出的金属单元
素二维拓扑材料质量无法达到制备要求，因此选取2～3mm粒径的氧化锆颗粒作为辅助材
料。

[0012] 更优的，所述陶瓷反应管采用氧化铝陶瓷或氮化铝陶瓷制成，所述陶瓷反应管的管内直径为5～10mm。所述陶瓷反应管的管内直径的选取与设备的最大输出参数相关，由于
所述加工方法采用高压放电制备金属单元素二维拓扑材料，一方面在高压放电环境下出于
安全性考虑需要根据设备的最大输出参数，对所述陶瓷反应管的管内直径尺寸进行限定，
另一方面在该管内直径参数范围内，也能保证金属单元素二维拓扑材料的正常制备。

[0013] 更优的，所述惰性电极采用金、铂、银、铜或石墨制成。优选为石墨电极。

[0014] 更优的，营造真空保护气氛时，真空保护气氛的真空度控制在1～10Pa。高压放电反应会产生瞬时高温，导致周围空气瞬间膨胀，为保证操作安全，需要抽取一定真空；并且
由于空气中含有大量氧气，在高温状态下会与金属单质粉末反应生成氧化物，故需减少反
应腔内空气；因此，为了保证最大制备效率，真空度需控制在1～10Pa范围内。

[0015] 具体的，所述金属单质粉末为锗粉末、锡粉末、锑粉末或铋粉末。

[0016] 更优的，所述对混合物进行高压放电加工的步骤中包括如下内容：

[0017] 根据不同的金属单质粉末，选择电容组合x mF接入储能电路，调定充电电压y V和充电电流z A进行充电；接通与陶瓷反应管的反应腔的连接电路，通过无线发送器控制，对
所述混合物进行放电加工，并通过延时设定打开快速低温冷却系统，陶瓷反应管的反应腔
腔内通入液氮，进行冷却。

[0018] 断开与陶瓷反应管的反应腔的连接电路，卸放残余能量并将电容分别断开。

[0019] 需要说明的是，上述的Y值和Z值的选择仅影响储能阵列的充电效率，在保证安全的情况下，可根据实际情况选取尽量大的Y值，以保证制备金属单元素二维拓扑材料的效率
和质量；上述X值的选择根据金属单质粉末的沸点进行选择；比如，由于锗、锡、锑、铋的沸点
依次降低，即所需要的能量也依次降低，故在相同的反应条件下，所需要接入的电容组合大
小也随之降低。

[0020] 一种加工系统，其应用如上所述的一种制备金属单元素二维拓扑材料的加工方法；所述加工系统包括：瞬时高压强流放电系统、快速低温冷却系统和反应腔装置。所述高
压强流放电系统包括电容储能阵列、高压充放电控制模块和无线控制模块；所述电容储能
阵列由若干个高压电容组成，各个所述高压电容设有电路开关，所述电路开关用于控制所
述高压电容的供电电路接入或断开；所述无线控制模块与所述高压充放电控制模块电联
接；所述电容储能阵列设有透明保护罩；所述快速低温冷却系统包括液氮储存储单元、流道
开关单元和液氮引流管道；所述流道开关单元由机械开关和延时控制器件组成；所述的反
应腔装置包括陶瓷反应管、惰性电极、密闭保护腔、抽排气系统和反应电路模块；所述陶瓷
反应管设置于所述密闭保护腔内；所述抽排气系统用于将所述密闭保护腔内的气体抽出；
所述惰性电极分别安装于所述陶瓷反应管的两端；所述反应电路模块与所述惰性电极和抽
排气系统电联接；所述氮储存储单元通过所述液氮引流管道与所述陶瓷反应管连通；所述
高压电容的供电电路、延时控制器件和所述反应电路模块电联接。

[0021] 本发明的实施例的有益效果：

[0022] 1.通过所述加工方法及所述加工系统，可以将金属单质粉末转化成金属单元素二维拓扑材料，原材料成本低，工艺简单；可以应用于制备多种金属单元素二维拓扑材料，包
括但不限于锗、锡、锑、铋。

[0023] 2.锗、锡、锑、铋都具有很大的自旋轨道耦合作用，但也同时都是原子间结合较弱的元素。通过本发明制备的锗、锡、锑、铋二维拓扑材料在放电加工后的极高温状态下通过
液氮的极低温进行快速冷却，使得制备的二维拓扑材料能在室温下保持材料的稳定性以及
更好的保护边缘，保证金属单元素二维拓扑材料的质量。

[0024] 3.通过所述加工方法及所述加工系统制备出的金属单元素二维拓扑材料不仅没有化学试剂残留，并且由于使用的特殊导电陶瓷氧化锆颗粒较大，可以通过筛虑的方法完
全去除，因此制备的金属单元素二维拓扑材料不存在其他杂质的；

[0025] 4.通过放电加工制备金属单元素二维拓扑材料，避免了有毒化学试剂的使用，避免了高成本高精密设备的使用，避免了引入其它难去除的杂质，进一步满足了低成本、绿色
环保、可持续发展等需求，为高质量金属单元素二维拓扑材料的高效率制造提供了有效的
解决方案。

附图说明

[0026] 图1是本发明的一个实施例中所述加工方法的流程图；

[0027] 图2是本发明的一个实施例中所述加工系统的结构示意图；

[0028] 图3是本发明的一个实施例中所述瞬时高压强流放电系统的结构示意图。

[0029] 其中：瞬时高压强流放电系统110，高压电容111，透明保护罩112，快速低温冷却系统120，液氮储存储单元121，流道开关单元122，液氮引流管道123，反应腔装置130，陶瓷反
应管131，惰性电极132，密闭保护腔133，抽排气系统134。

具体实施方式

[0030] 下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

[0031] 实施例1

[0032] 如图1所示，一种制备金属单元素二维拓扑材料的加工方法，其包括如下内容：

[0033] 将金属单质粉末与氧化锆颗粒混合，得到混合物。

[0034] 将所述混合物装入陶瓷反应管内并以惰性电极固定在密闭保护腔内，营造真空保护气氛。

[0035] 对混合物进行高压放电加工，再进行快速低温冷却，得到反应生产物。

[0036] 取出反应生成物进行筛滤，去除氧化锆颗粒，得到金属单元素二维拓扑材料。

[0037] 实施例2

[0038] 一种制备金属单元素二维拓扑材料的方法，包括以下步骤：

[0039] S1.制备锗粉末与氧化锆颗粒混合物：筛取2‑3mm粒径的氧化锆颗粒与锗金属粉末进行充分混合；

[0040] S2.将S1中制得的混合物填充到陶瓷反应管中，并适当压紧，使得混合物能充分接触到一起，同时留有一定余量为后续高温加工膨胀预留空间；通过密闭保护腔内带弹簧的
石墨电极卡槽将陶瓷反应管固定住；电极两端与混合物充分接触，形成一定的夹持力；使用
真空泵对密闭保护腔进行抽真空处理，真空度为5Pa；

[0041] S3.由瞬时高压放电系统对混合物进行放电加工，并进行快速低温冷却，具体包括以下步骤：

[0042] S31.将6*36mF电容接入储能电路，组成共216mF储能模块；调定充电电压800V和充电电流0.75A进行充电；

[0043] S32.将瞬时高压放电系统与反应腔的反应电路模块，设定快速低温冷却系统延时控制定时为3s，通过无线控制模块控制放电加工，等待向密闭保护腔内通入液氮进行快速
低温冷却；

[0044] S33.液氮通入后断开放电系统与反应腔装置的连接电路，卸放残余能量并将电容分别断开；

[0045] S4.取出反应生成产物进行筛滤，去除氧化锆颗粒，制得锗金属二维拓扑材料。

[0046] 实施例3

[0047] 一种制备金属单元素二维拓扑材料的方法，包括以下步骤：

[0048] S1.制备锡粉末与氧化锆颗粒混合物：筛取2‑3mm粒径的氧化锆颗粒与锗金属粉末进行充分混合；

[0049] S2.将S1中制得的混合物填充到陶瓷反应管中，并适当压紧，使得混合物能充分接触到一起，同时留有一定余量为后续高温加工膨胀预留空间；通过密闭保护腔内带弹簧的
石墨电极卡槽将陶瓷反应管固定住；电极两端与混合物充分接触，形成一定的夹持力；使用
真空泵对密闭保护腔进行抽真空处理，真空度为5Pa；

[0050] S3.由瞬时高压放电系统对混合物进行放电加工，并进行快速低温冷却，具体包括以下步骤：

[0051] S31.将2*24mF和4*36mF电容接入储能电路，组成共192mF储能模块；调定充电电压700V和充电电流0.75A进行充电；

[0052] S32.将瞬时高压放电系统与反应腔的反应电路模块，设定快速低温冷却系统延时控制定时为3s，通过无线控制模块控制放电加工，等待向密闭保护腔内通入液氮进行快速
低温冷却；

[0053] S33.液氮通入后断开放电系统与反应腔装置的连接电路，卸放残余能量并将电容分别断开；

[0054] S4.取出反应生成产物进行筛滤，去除氧化锆颗粒，制得锗金属二维拓扑材料。

[0055] 实施例4

[0056] 一种制备金属单元素二维拓扑材料的方法，包括以下步骤：

[0057] S1.制备锑粉末与氧化锆颗粒混合物：筛取2‑3mm粒径的氧化锆颗粒与锗金属粉末进行充分混合；

[0058] S2.将S1中制得的混合物填充到陶瓷反应管中，并适当压紧，使得混合物能充分接触到一起，同时留有一定余量为后续高温加工膨胀预留空间；通过密闭保护腔内带弹簧的
石墨电极卡槽将陶瓷反应管固定住；电极两端与混合物充分接触，形成一定的夹持力；使用
真空泵对密闭保护腔进行抽真空处理，真空度为5Pa；

[0059] S3.由瞬时高压放电系统对混合物进行放电加工，并进行快速低温冷却，具体包括以下步骤：

[0060] S31.将4*24mF和2*36mF电容接入储能电路，组成共168mF储能模块；调定充电电压600V和充电电流0.75A进行充电；

[0061] S32.将瞬时高压放电系统与反应腔的反应电路模块，设定快速低温冷却系统延时控制定时为3s，通过无线控制模块控制放电加工，等待向密闭保护腔内通入液氮进行快速
低温冷却；

[0062] S33.液氮通入后断开放电系统与反应腔装置的连接电路，卸放残余能量并将电容分别断开；

[0063] S4.取出反应生成产物进行筛滤，去除氧化锆颗粒，制得锗金属二维拓扑材料。

[0064] 实施例5

[0065] 一种制备金属单元素二维拓扑材料的方法，包括以下步骤：

[0066] S1.制备铋粉末与氧化锆颗粒混合物：筛取2‑3mm粒径的氧化锆颗粒与锗金属粉末进行充分混合；

[0067] S2.将S1中制得的混合物填充到陶瓷反应管中，并适当压紧，使得混合物能充分接触到一起，同时留有一定余量为后续高温加工膨胀预留空间；通过密闭保护腔内带弹簧的
石墨电极卡槽将陶瓷反应管固定住；电极两端与混合物充分接触，形成一定的夹持力；使用
真空泵对密闭保护腔进行抽真空处理，真空度为5Pa；

[0068] S3.由瞬时高压放电系统对混合物进行放电加工，并进行快速低温冷却，具体包括以下步骤：

[0069] S31.将5*24mF和1*36mF电容接入储能电路，组成共156mF储能模块；调定充电电压550V和充电电流0.75A进行充电；

[0070] S32.将瞬时高压放电系统与反应腔的反应电路模块，设定快速低温冷却系统延时控制定时为3s，通过无线控制模块控制放电加工，等待向密闭保护腔内通入液氮进行快速
低温冷却；

[0071] S33.液氮通入后断开放电系统与反应腔装置的连接电路，卸放残余能量并将电容分别断开；

[0072] S4.取出反应生成产物进行筛滤，去除氧化锆颗粒，制得锗金属二维拓扑材料。

[0073] 实施例6

[0074] 如图2和3所示，一种加工系统，其应用如上所述的一种制备金属单元素二维拓扑材料的加工方法；所述加工系统包括：瞬时高压强流放电系统、快速低温冷却系统和反应腔
装置。

[0075] 具体的，所述高压强流放电系统包括电容储能阵列、高压充放电控制模块和无线控制模块；所述电容储能阵列由若干个高压电容组成，各个所述高压电容设有电路开关，所
述电路开关用于控制所述高压电容的供电电路接入或断开；所述无线控制模块与所述高压
充放电控制模块电联接；所述电容储能阵列设有透明保护罩；所述快速低温冷却系统包括
液氮储存储单元、流道开关单元和液氮引流管道；所述流道开关单元由机械开关和延时控
制器件组成；可实现手动和延时自动控制；所述的反应腔装置包括陶瓷反应管、惰性电极、
密闭保护腔、抽排气系统和反应电路模块；所述陶瓷反应管设置于所述密闭保护腔内；所述
抽排气系统用于将所述密闭保护腔内的气体抽出；所述惰性电极分别安装于所述陶瓷反应
管的两端；所述反应电路模块与所述惰性电极和抽排气系统电联接；所述氮储存储单元通
过所述液氮引流管道与所述陶瓷反应管连通；所述高压电容的供电电路、延时控制器件和
所述反应电路模块电联接。

[0076] 需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式
也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包
括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

[0077] 除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部
分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方
法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明
书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而
不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。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讨论。

[0078] 以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术
人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入
本发明的保护范围之内。