一种基于二维碲纳米晶体制备二维超导PtTe2及其制备方法和应用

摘要

本发明公开了一种基于二维碲纳米晶体制备二维超导PtTe2及其制备方法和应用,铂和碲的化学计量比为1:2,包括以下步骤：步骤S1：将晶体二维碲烯溶解于去离子水中配置浓度为0.05mol/L的二维碲烯溶液；步骤S2：将氯铂酸用去离子水稀释，得到浓度为0.10mol/L的氯铂酸溶液；步骤S3：将二维碲烯溶液与氯铂酸溶液按摩尔比为3:1‑7:1的比例混合，反应一段时间后得到含有二维超导PtTe2的溶液；步骤S4：将二维超导PtTe2的溶液用去离子水和离心机清洗后得到二维超导PtTe2晶体。本发明制备的碲化铂纳米片具有模板的相同的形貌，并且该纳米片颜色有所变化，在高分辨扫描电镜下表现出高结晶度和清晰的原子排列。

权利要求

1.一种基于二维碲纳米晶体制备二维超导PtTe2的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：将0.1g亚碲酸钠和0.5g分子量为58000的聚乙烯吡咯烷酮溶解在33mL的电阻率为18.2MΩ•cm的去离子水中，在磁力搅拌器下搅拌30分钟，形成浓度为0.014mol/L的溶液A，随后将1.65mL水合肼和3.3mL氨水混合形成溶液B加入到溶液A中，并放入水热反应釜，密封后在160℃烘箱中反应30个小时取出，得到产物晶体二维碲烯；

步骤S2：将晶体二维碲烯溶解于去离子水中配置浓度为0.05mol/L的二维碲烯溶液；

步骤S3：将氯铂酸用去离子水稀释，得到浓度为0.10mol/L的氯铂酸溶液；

步骤S4：将二维碲烯溶液与氯铂酸溶液按摩尔比为3:1‑7:1的比例混合，反应温度为15℃‑20℃，反应时间2小时以上得到含有二维超导PtTe2的溶液；

步骤S5：将含有二维超导PtTe2的溶液用去离子水和离心机清洗后得到二维超导PtTe2晶体。

2.如权利要求1所述的一种基于二维碲纳米晶体制备二维超导PtTe2的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中所述二维碲烯溶液与所述氯铂酸溶液的摩尔比为4:1。

3.如权利要求1所述的一种基于二维碲纳米晶体制备二维超导PtTe2的制备方法制备得到的二维超导PtTe2，其特征在于，铂和碲的化学计量比为1:2。

4.如权利要求1所述的一种基于二维碲纳米晶体制备二维超导PtTe2的制备方法制备得到的二维超导PtTe2在霍尔器件的应用。

说明书

一种基于二维碲纳米晶体制备二维超导PtTe2及其制备方法和

应用

技术领域

[0001] 本发明涉及一种二维纳米材料技术领域，尤其涉及一种基于二维碲纳米晶体制备二维超导PtTe2及其制备方法和应用。

背景技术

[0002] 二维材料将电子的运动限制在一个平面范围以内，这个特征使得二维材料在超导领域显出一些独特的物理现象。近年来研究人员在多种材料的异质结或低维系统中发现了超导现象，并发现了多种与超导相关的新物性和新效应，极大地拓宽了超导的研究体系和该领域的研究方向。在二维系统的制备方面，利用脉冲激光沉积（PLD）和分子束外延（MBE）等方法，可以生长出高质量SrTiO3/LaAlO3，FeSe/SrTiO3和Bi2Te3/FeTe等异质结薄膜，成功实现了二维超导或提高超导转变温度（Tc）的目的。另一方面，利用二维材料的原子层厚度的特征，实现了约瑟夫结的制备，在该约瑟夫结中观察到了超电流的产生，对超导的机理和拓展有着重大影响。细致的物性研究证明了低维超导体与铁磁性共存、金属‑绝缘体相变、超导‑绝缘体相变和Berezinskii–Kosterlitz–Thouless(BKT)相变等新奇的物理现象。上述两种制备合成方法，需要借助苛刻的样品制备、样品解离和加工工艺等，操作有一定的局限性。所以，利用材料自身的化学特性，通过引入电负性不同的新元素，诱导形成额外的共价键，可以有效地导致化合物的结构的低维化并改变电子结构，从而在新的材料维度下发现新的物性和效应。

[0003] 硫族碲化物在信息技术、半导体科学、光电和热电等多个方面显示特殊的性能和潜在的巨大应用。而碲化物本身有较低的离子溶积常数，这成为了碲反应变成碲化物的重要热动力条件。液相法也作为一种低成本、高效和灵活可控的方式而常被采用。

[0004] 为此，我们提出一种基于二维碲纳米晶体制备二维超导PtTe2及其制备方法和应用以解决上述技术问题，对今后探索新型二维层状超导材料和研究物性对维度依赖等新现象具有重要意义。

发明内容

[0005] 本发明提供一种基于二维碲纳米晶体制备二维超导PtTe2及其制备方法和应用，采用该方法可以有效的控制其组分和形貌，相比于其他超导二维材料的制备方法，如脉冲激光沉积（PLD）和分子束外延（MBE），该方法表现出简单、可控、可以量产的特征。并且，我们得到的产物具有较高的结晶度，表现出于磁场成一定角度关系的超导现象。

[0006] 本发明采用的技术方案如下：

[0007] 一种基于二维碲纳米晶体制备二维超导PtTe2，铂和碲的化学计量比为1:2。

[0008] 本发明还提供一种基于二维碲纳米晶体制备二维超导PtTe2的制备方法，包括以下步骤：

[0009] 步骤S1：将晶体二维碲烯溶解于去离子水中配置浓度为0.05mol/L的二维碲烯溶液；

[0010] 步骤S2：将氯铂酸用去离子水稀释，得到浓度为0.10mol/L的氯铂酸溶液；

[0011] 步骤S3：将二维碲烯溶液与氯铂酸溶液按摩尔比为3:1‑7:1的比例混合，反应温度为15℃‑20℃，反应时间至少2小时以上得到含有二维超导PtTe2的溶液；

[0012] 步骤S4：将二维超导PtTe2的溶液用去离子水和离心机清洗后得到二维超导PtTe2晶体。

[0013] 进一步地，所述步骤S3中所述二维碲烯溶液与所述氯铂酸溶液的摩尔比为4:1。

[0014] 进一步地，所述去离子水的电导率为18.2 MΩ•cm。

[0015] 本发明还提供一种基于二维碲纳米晶体制备二维超导PtTe2在霍尔器件的应用。

[0016] 本发明的有益效果是：

[0017] 1、本发明是以新材料二维碲片作为模板，通过湿法化学，制备高质量，高结晶度的二维碲化铂纳米片。该碲化铂纳米片具有模板的相同的形貌，并且该纳米片颜色有所变化，在高分辨扫描电镜下表现出高结晶度和清晰的原子排列。与碲的原子排列完全不同。

[0018] 2、本发明对二维碲化铂制备了霍尔器件，该器件表现出明显的超导特性和与磁场相关的角度依赖性。

[0019] 3、本发明的工艺简单可控、制备周期短、安全无污染、廉价。根据实际的生产要求，可以灵活地制备不同厚度的二维超导材料，在量子计算等领域有广阔的应用前景。

附图说明

[0020] 图1为本发明一种基于二维碲纳米晶体制备二维超导PtTe2的制备方法流程图；

[0021] 图2为本发明实施例1晶体二维碲烯的光学显微镜照片；

[0022] 图3为本发明实施例1二维超导PtTe2晶体的光学显微镜照片

[0023] 图4为本发明实施例1得到二维超导PtTe2晶体高分辨透射电镜照片；

[0024] 图5为本发明实施例1根据二维超导PtTe2晶体结构特征计算出的PtTe2的能带结构图形；

[0025] 图6为本发明实施例1得到的二维超导PtTe2晶体洗净后转移到硅片上，利用电子束曝光技术制备出的霍尔器件的光学显微镜照片和三维结构示意图；

[0026] 图7为本发明实施例1得到的二维超导PtTe2晶体的霍尔器件测试出的超导结果；

[0027] 图8为本发明实施例1得到的二维超导PtTe2晶体的霍尔器件测试出的超导结果；

[0028] 图9为本发明实施例2得到的二维超导PtTe2晶体超导特征曲线；

[0029] 图10为本发明实施例3得到的二维超导PtTe2晶体超导特征曲线；

[0030] 图11为本发明实施例4得到的二维超导PtTe2晶体超导特征曲线；

[0031] 图12为本发明对比例1得到的二维超导PtTe2晶体的光学显微镜照片；

[0032] 图13为本发明对比例2得到的二维超导PtTe2晶体超导特征曲线；

[0033] 图14为本发明对比例3得到的二维超导PtTe2晶体超导特征曲线；

[0034] 图15为本发明对比例4得到的二维超导PtTe2晶体的光学显微镜照片。

具体实施方式

[0035] 以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。

[0036] 见图1

[0037] 一种基于二维碲纳米晶体制备二维超导PtTe2的制备方法，包括以下步骤：

[0038] 步骤S1：将晶体二维碲烯溶解于去离子水中配置浓度为0.05mol/L的二维碲烯溶液；

[0039] 步骤S2：将氯铂酸用去离子水稀释，得到浓度为0.10mol/L的氯铂酸溶液；

[0040] 步骤S3：将二维碲烯溶液与氯铂酸溶液按摩尔比为3:1‑7:1的比例混合，反应温度为15℃‑20℃，反应时间至少2小时以上得到含有二维超导PtTe2的溶液；

[0041] 步骤S4：将二维超导PtTe2的溶液用去离子水和离心机清洗后得到二维超导PtTe2晶体。

[0042] 进一步地，所述步骤S3中所述二维碲烯溶液与所述氯铂酸溶液的摩尔比为4:1。

[0043] 进一步地，所述去离子水的电导率为18.2 MΩ•cm。

[0044] 实施例1

[0045] 步骤S1：使用文献中（Nature Electronics 2018,1,(4),228‑236）的步骤合成出单晶二维碲烯：将0.1g亚碲酸钠和0.5g分子量为58000的聚乙烯吡咯烷酮溶解在33mL的电导率为18.2MΩ•cm的去离子水中，在磁力搅拌器下搅拌30分钟，形成浓度为0.014mol/L的溶液A，随后将1.65mL水合肼和3.3mL氨水混合形成溶液B加入到溶液A中，并放入水热反应釜，密封后在160℃烘箱中反应30个小时取出，得到产物晶体二维碲烯，将晶体二维碲烯溶解于去离子水中配置浓度为0.05mol/L的二维碲烯溶液；见图2为晶体二维碲烯光学显微镜照片，观察到其形貌为宽度为15微米左右，长度为80微米，厚度只有几十个纳米的二维碲纳米晶体；

[0046] 步骤S2：将氯铂酸用去离子水稀释，得到浓度为0.10mol/L的氯铂酸溶液；

[0047] 步骤S3：将二维碲烯溶液与氯铂酸溶液按摩尔比为4:1的比例混合，反应温度为18℃，反应时间2小时，得到含有二维超导PtTe2的溶液；

[0048] 步骤S4：将二维超导PtTe2的溶液用去离子水和离心机清洗后得到二维超导PtTe2晶体。

[0049] 将二维超导PtTe2晶体转移到硅片上通过光学显微镜观察其形貌，如图3所示，其形貌为宽度15微米左右，长度100微米左右的二维纳米晶体。将二维超导PtTe2晶体转移到铜网上通过高分辨透射电镜观察，确定其组分的正确性（其晶格参数与文献中碲化铂的一致）和高结晶度（可以看到其在大面积范围内的原子整齐排列）如图4所示。图5是根据二维超导PtTe2晶体结构特征计算出的碲化铂的能带结构图形，可以看出，它的导带和价带之间的重叠关系表面了碲化铂的半金属性质。

[0050] 将二维超导PtTe2晶体转移到硅片上，利用电子束曝光做出六端的霍尔器件，霍尔器件的光学显微镜照片和三维结构示意图如图6所示；将霍尔器件在低温下测试其超导特性，通过图7现明显的超导特性，可以看出，它的超导转变温度在1.1k。并且它的超导特性随着磁场角度的变化和晶向的变化呈现出具有规律的电阻特征，如图8所示。当磁场和碲化铂的霍尔器件角度从0到90度变化的时候，其电阻随着磁场强度的变化规律也有所不同。

[0051] 实施例2

[0052] 步骤S1：使用文献中（Nature Electronics 2018,1,(4),228‑236）的步骤合成出单晶二维碲烯：将0.1g亚碲酸钠和0.5g分子量为58000的聚乙烯吡咯烷酮溶解在33mL的电导率为18.2MΩ•cm的去离子水中，在磁力搅拌器下搅拌30分钟，形成浓度为0.014mol/L的溶液A，随后将1.65mL水合肼和3.3mL氨水混合形成溶液B加入到溶液A中，并放入水热反应釜，密封后在160℃烘箱中反应30个小时取出，得到产物晶体二维碲烯，将晶体二维碲烯溶解于去离子水中配置浓度为0.05mol/L的二维碲烯溶液；

[0053] 步骤S2：将氯铂酸用去离子水稀释，得到浓度为0.10mol/L的氯铂酸溶液；

[0054] 步骤S3：将二维碲烯溶液与氯铂酸溶液按摩尔比为3:1的比例混合，反应温度为15℃，反应时间2.5小时，得到含有二维超导PtTe2的溶液；

[0055] 步骤S4：将二维超导PtTe2的溶液用去离子水和离心机清洗后得到二维超导PtTe2晶体，图9为其超导特征曲线，可以看出，他的超导转移温度是1k，是要低于实施例1的1.1k的。

[0056] 实施例3

[0057] 步骤S1：使用文献中（Nature Electronics 2018,1,(4),228‑236）的步骤合成出单晶二维碲烯：将0.1g亚碲酸钠和0.5g分子量为58000的聚乙烯吡咯烷酮溶解在33mL的电导率为18.2MΩ•cm的去离子水中，在磁力搅拌器下搅拌30分钟，形成浓度为0.014mol/L的溶液A，随后将1.65mL水合肼和3.3mL氨水混合形成溶液B加入到溶液A中，并放入水热反应釜，密封后在160℃烘箱中反应30个小时取出，得到产物晶体二维碲烯，将晶体二维碲烯溶解于去离子水中配置浓度为0.05mol/L的二维碲烯溶液；

[0058] 步骤S2：将氯铂酸用去离子水稀释，得到浓度为0.10mol/L的氯铂酸溶液；

[0059] 步骤S3：将二维碲烯溶液与氯铂酸溶液按摩尔比为7:1的比例混合，反应温度为20℃，反应时间3小时，得到含有二维超导PtTe2的溶液；

[0060] 步骤S4：将二维超导PtTe2的溶液用去离子水和离心机清洗后得到二维超导PtTe2晶体，图10为其超导特征曲线，可以看出，他的超导转移温度为0.8k，是要低于实施例1的1.1k的。

[0061] 实施例4

[0062] 步骤S1：使用文献中（Nature Electronics 2018,1,(4),228‑236）的步骤合成出单晶二维碲烯：将0.1g亚碲酸钠和0.5g分子量为58000的聚乙烯吡咯烷酮溶解在33mL的电导率为18.2MΩ•cm的去离子水中，在磁力搅拌器下搅拌30分钟，形成浓度为0.014mol/L的溶液A，随后将1.65mL水合肼和3.3mL氨水混合形成溶液B加入到溶液A中，并放入水热反应釜，密封后在160℃烘箱中反应30个小时取出，得到产物晶体二维碲烯，将晶体二维碲烯溶解于去离子水中配置浓度为0.05mol/L的二维碲烯溶液；

[0063] 步骤S2：将氯铂酸用去离子水稀释，得到浓度为0.10mol/L的氯铂酸溶液；

[0064] 步骤S3：将二维碲烯溶液与氯铂酸溶液按摩尔比为4:1的比例混合，反应温度为18℃，反应时间3小时，得到含有二维超导PtTe2的溶液；

[0065] 步骤S4：将二维超导PtTe2的溶液用去离子水和离心机清洗后得到二维超导PtTe2晶体。

[0066] 将二维超导PtTe2晶体转移到硅片上，利用电子束曝光做出六端的霍尔器件。将霍尔器件在低温下测试其超导特性，发现明显的超导特性，如图11所示，超导转移温度也在1.1k，并且它的电阻变化规律是随着磁场强度变化而变化，如当磁场从0.1t增加到1t的情况下，它的转移温度是从0.8K到1.1k。该实施例表面在2个小时以后，反应已经饱和，反应的原材料如碲和铂离子反应完全，所以在转化实验中，大于2个小时的实验都具有可行性。

[0067] 对比例1

[0068] 步骤S1：使用文献中（Nature Electronics 2018,1,(4),228‑236）的步骤合成出单晶二维碲烯：将0.1g亚碲酸钠和0.5g分子量为58000的聚乙烯吡咯烷酮溶解在33mL的电导率为18.2MΩ•cm的去离子水中，在磁力搅拌器下搅拌30分钟，形成浓度为0.014mol/L的溶液A，随后将1.65mL水合肼和3.3mL氨水混合形成溶液B加入到溶液A中，并放入水热反应釜，密封后在160℃烘箱中反应30个小时取出，得到产物晶体二维碲烯，将晶体二维碲烯溶解于去离子水中配置浓度为0.05mol/L的二维碲烯溶液；

[0069] 步骤S2：将氯铂酸用去离子水稀释，得到浓度为0.10mol/L的氯铂酸溶液；

[0070] 步骤S3：将二维碲烯溶液与氯铂酸溶液按摩尔比为2:1的比例混合，反应温度为18℃，反应时间2小时，得到含有二维超导PtTe2的溶液；

[0071] 步骤S4：将二维超导PtTe2的溶液用去离子水和离心机清洗后得到二维超导PtTe2晶体。

[0072] 将二维超导PtTe2晶体用去离子水和离心机清洗三遍，然后转移到硅片上观察其形貌，得到如图12所示的显微镜照片。可以看出其形貌已经完全变化，过量的铂离子加入和破坏原来的二维形貌，使得它已经不再是二维形貌，致使我们无法进行下一步的霍尔器件的制造。

[0073] 对比例2

[0074] 步骤S1：使用文献中（Nature Electronics 2018,1,(4),228‑236）的步骤合成出单晶二维碲烯：将0.1g亚碲酸钠和0.5g分子量为58000的聚乙烯吡咯烷酮溶解在33mL的电导率为18.2MΩ•cm的去离子水中，在磁力搅拌器下搅拌30分钟，形成浓度为0.014mol/L的溶液A，随后将1.65mL水合肼和3.3mL氨水混合形成溶液B加入到溶液A中，并放入水热反应釜，密封后在160℃烘箱中反应30个小时取出，得到产物晶体二维碲烯，将晶体二维碲烯溶解于去离子水中配置浓度为0.05mol/L的二维碲烯溶液；

[0075] 步骤S2：将氯铂酸用去离子水稀释，得到浓度为0.10mol/L的氯铂酸溶液；

[0076] 步骤S3：将二维碲烯溶液与氯铂酸溶液按摩尔比为8:1的比例混合，反应温度为18℃，反应时间2小时，得到含有二维超导PtTe2的溶液；

[0077] 步骤S4：将二维超导PtTe2的溶液用去离子水和离心机清洗后得到二维超导PtTe2晶体。

[0078] 将二维超导PtTe2晶体转移到硅片上，利用电子束曝光做出六端的霍尔器件。将霍尔器件在低温下测试其超导特性。发现几乎没有超导性质，如图13所示，当温度都已经接近0.3k了，其电阻还是在17欧姆左右，说明碲化铂的转化不完全，碲本身是没有超导特性，所以该对比例的超导特性无法表现。

[0079] 对比例3

[0080] 步骤S1：使用文献中（Nature Electronics 2018,1,(4),228‑236）的步骤合成出单晶二维碲烯：将0.1g亚碲酸钠和0.5g分子量为58000的聚乙烯吡咯烷酮溶解在33mL的电导率为18.2MΩ•cm的去离子水中，在磁力搅拌器下搅拌30分钟，形成浓度为0.014mol/L的溶液A，随后将1.65mL水合肼和3.3mL氨水混合形成溶液B加入到溶液A中，并放入水热反应釜，密封后在160℃烘箱中反应30个小时取出，得到产物晶体二维碲烯，将晶体二维碲烯溶解于去离子水中配置浓度为0.05mol/L的二维碲烯溶液；

[0081] 步骤S2：将氯铂酸用去离子水稀释，得到浓度为0.10mol/L的氯铂酸溶液；

[0082] 步骤S3：将二维碲烯溶液与氯铂酸溶液按摩尔比为4:1的比例混合，反应温度为18℃，反应时间1小时，得到含有二维超导PtTe2的溶液；

[0083] 步骤S4：将二维超导PtTe2的溶液用去离子水和离心机清洗后得到二维超导PtTe2晶体。

[0084] 将二维超导PtTe2晶体转移到硅片上，利用电子束曝光做出六端的霍尔器件。将霍尔器件在低温下测试其超导特性。发现几乎没有超导性质，如图14所示，当温度下降到0.3K的情况下，其电阻仍然在16欧姆左右，反应的时间不足够形成完全的碲化铂，碲本身是没有超导特性，所以该对比例的超导特性无法表现。

[0085] 对比例4

[0086] 步骤S1：使用文献中（Nature Electronics 2018,1,(4),228‑236）的步骤合成出单晶二维碲烯：将0.1g亚碲酸钠和0.5g分子量为58000的聚乙烯吡咯烷酮溶解在33mL的电导率为18.2MΩ•cm的去离子水中，在磁力搅拌器下搅拌30分钟，形成浓度为0.014mol/L的溶液A，随后将1.65mL水合肼和3.3mL氨水混合形成溶液B加入到溶液A中，并放入水热反应釜，密封后在160℃烘箱中反应30个小时取出，得到产物晶体二维碲烯，将晶体二维碲烯溶解于去离子水中配置浓度为0.05mol/L的二维碲烯溶液；

[0087] 步骤S2：将氯铂酸用去离子水稀释，得到浓度为0.10mol/L的氯铂酸溶液；

[0088] 步骤S3：将二维碲烯溶液与氯铂酸溶液按摩尔比为4:1的比例混合，反应温度为50℃，反应时间2小时，得到含有二维超导PtTe2的溶液；

[0089] 步骤S4：将二维超导PtTe2的溶液用去离子水和离心机清洗后得到二维超导PtTe2晶体。

[0090] 将二维超导PtTe2晶体用去离子水和离心机清洗三遍，然后转移到硅片上观察其形貌，得到如图15所示的显微镜照片。可以看出其形貌已经完全变化，该形貌使得我们无法在其上面制作霍尔器件，高温不利于其反应的可控性。该对比例说明在室温下即可反应。

[0091] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。