一种二维碘化铅薄片的制备方法及应用与流程

本发明涉及二维纳米材料技术领域，具体涉及一种碘化铅纳米材料的制备方法和应用。

背景技术：

二维材料是指仅在一个维度上为纳米尺寸(小于100nm)的层状纳米材料，在二维平面内原子以化学键结合，电子在平面内自由移动。当材料减薄到二维尺寸时，往往会展现出块体材料所不具体的众多独特而优异的特性。这些二维材料独特的力、电、光、热、磁等性质受到了学术界和工业界的广泛关注。

碘化铅是一种层状材料，层和层之间是范德瓦耳斯力连接，层内是碘和铅离子键连接在一起。碘化铅的禁带宽度为2.2～2.55ev，该禁带宽度会随着材料层数的减小而升高，具有带隙可调的特性，又可以作为杂化钙钛矿的前驱体，因此碘化铅在光电探测器、激光、太阳能电池等领域都有重要的应用。而且由于碘化铅的高电阻和高载流子迁移率特性，使得碘化铅晶体制备的光电探测器具有较低的漏电流、较强的弱光分辨能力、优异的探测效率和杰出的稳定性。

二维碘化铅可以通过气相沉积、液相剥离、机械解理方法制取。其中，利用气相沉积工艺制备得到的碘化铅尺寸分布均匀(1～7μm)，二维碘化铅产量高(yaguangwang等，《sciencebulletin》，2017年62卷，1654)，但制得的二维碘化铅尺寸较小，而且需要采用气相沉积设备，要求有较高的温度和高纯度气体氛围。液相剥离方法是借助液相对材料表面的作用力和超声的作用来减薄制备二维材料，这种方法操作简单，成本低，但超声的使用在减薄的同时也会破碎材料，造成材料尺寸的减小，而且二维材料产率低(chaoliangtan等，《chemicalreviews》，2017年,117卷，6225)。机械解理的方式操作简单，基本不依赖设备，而且制备过程不引入其它试剂，制备的二维材料质量高，但是产率低，且二维材料尺寸和形状不可控。以上这三种制备工艺对多种二维材料的制备都是有效的。

针对碘化铅的特性，还可以用溶液法来制备二维碘化铅薄片。溶液法不需要较高的制备温度、复杂的设备和高纯度的气体氛围，操作简单，成本低。但传统的溶液法制备二维碘化铅存在尺寸不够大(几十微米)，二维纳米片产量不高，结晶表面粗糙，结晶质量不高等问题。对于半导体材料碘化铅而言，表面粗糙度越低，表面越光滑，越有利于提高碘化铅光电器件的性能。

技术实现要素：

为了克服传统溶液法制备二维碘化铅所存在的不足，本发明的目的在于提供一种二维碘化铅薄片的制备方法，该制备方法操作简单，成本低，且环保。

本发明采用的技术方案如下：

一种二维碘化铅薄片的制备方法，具体步骤包括：

(1)对基底进行清洗处理；

(2)将定量的过饱和碘化铅水溶液滴加在清洗处理后的基底上；

(3)将步骤(2)的基底在旋涂机上以一定的转速旋涂，然后干燥，得到二维碘化铅薄片。

进一步地，所述步骤(1)中，基底为硅片、玻璃或者pet膜。

进一步地，所述步骤(1)中，采用氧离子清洗工艺进行清洗。

进一步地，氧离子清洗的功率为10w～700w。

进一步地，氧离子清洗的时间为5s～600s。

进一步地，所述步骤(2)中，过饱和碘化铅水溶液的用量为5μl～800μl。

进一步地，所述步骤(3)中，旋涂速度为100r/min～3000r/min。

进一步地，所述步骤(3)中，旋涂时间为5s～30s。

进一步地，所述步骤(3)中，干燥的温度为5℃～60℃。

本发明还提供了一种由上述方法制备的二维碘化铅薄片在光电探测器中的应用。

本发明与现有技术相比，主要优点包括：

(1)本发明制备二维碘化铅薄片的方法，其工艺操作简单，低成本，环保，且可以高效率的制备获取二维碘化铅薄片。

(2)该制备方法可以高产率的制备出大尺寸(过百微米)，形状规则，表面光滑，结晶质量高的二维碘化铅薄片。

(3)使用本发明的二维碘化铅薄片可以制备出二维碘化铅光电探测器用于光电探测，提高器件性能。

附图说明

图1为本发明制备二维碘化铅薄片的流程示意图，图中：1-基底、2-氧离子清洗工艺、3-过饱和碘化铅水溶液、4-清洗处理后的基底、5-移液枪、6-旋涂机。

图2为实施例1制备得到的二维碘化铅薄片(a)光学照片，(b)原子力显微镜厚度测试，(c)表面粗糙测试图。

图3为实施例3在硅片上制备得到的二维碘化铅薄片的xrd图谱。

图4为实施例5制备得到的二维碘化铅薄片尺寸分布统计图。

图5为实施例8传统溶液法制备碘化铅纳米片的流程示意图。

图6为实施例8制备得到的碘化铅纳米片(a)光学照片，(b)原子力显微镜厚度测试，(c)表面粗糙测试图。

具体实施方式

下面将结合具体附图详细描述本发明具体实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，他它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。在下述实施例的附图中，各附图所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。

下述实施例和应用例中的二维碘化铅薄片制备过程均如图1所示，基底1经等离子去胶机或等离子清洗机2清洗。配置饱和的碘化铅水溶液3。用移液枪5将定量的碘化铅溶液滴加在清洗处理后的基底4上。用旋涂机6旋涂，紧接着干燥，制备得到二维碘化铅薄片。

实施例1

将带有285nm二氧化硅的硅片切成1cm×1cm的若干正方形小片，清洗干燥后备用。将清洗过的硅片用等离子去胶机50w清洗180s，将100μl的过饱和碘化铅水溶液(2mg/ml)滴加在处理后的硅片上。将带有碘化铅溶液的硅片在旋涂机上以300r/min的转速旋涂30s，然后25℃干燥样品，得到二维碘化铅薄片。

实施例2

将带有285nm二氧化硅的硅片切成1cm×1cm的若干正方形小片，清洗干燥后备用。将清洗过的硅片用等离子去胶机180w清洗120s，将50μl的过饱和碘化铅水溶液(2mg/ml)滴加在处理后的硅片上。将带有碘化铅溶液的硅片在旋涂机上以300r/min的转速旋涂30s，然后25℃干燥样品，得到二维碘化铅薄片。

实施例3

将带有285nm二氧化硅的硅片切成1cm×1cm的若干正方形小片，清洗干燥后备用。将清洗过的硅片用等离子去胶机400w清洗60s，将300μl的过饱和碘化铅水溶液(4mg/ml)滴加在处理后的硅片上。将带有碘化铅溶液的硅片在旋涂机上以1000r/min的转速旋涂20s，然后50℃干燥样品，得到二维碘化铅薄片。

实施例4

将带有285nm二氧化硅的硅片切成1cm×1cm的若干正方形小片，清洗干燥后备用。将清洗过的硅片用等离子清洗机10w清洗500s，将150μl的过饱和碘化铅水溶液(1mg/ml)滴加在处理后的硅片上。将带有碘化铅溶液的硅片在旋涂机上以3000r/min的转速旋涂10s，然后20℃干燥样品，得到二维碘化铅薄片。

实施例5

将玻璃切成1cm×1cm的若干正方形小片，清洗干燥后备用。将清洗过的玻璃片用等离子清洗机700w清洗100s，将150μl的过饱和碘化铅水溶液(2mg/ml)滴加在处理后的玻璃片上。将带有碘化铅溶液的硅片在旋涂机上以1200r/min的转速旋涂10s，然后50℃干燥样品，得到二维碘化铅薄片。

实施例6

将pet膜裁剪成1cm×1cm的若干正方形小片，清洗干燥后备用。将清洗过的pet膜用等离子清洗机300w清洗120s，将200μl的过饱和碘化铅水溶液(2mg/ml)滴加在处理后的玻璃片上。将带有碘化铅溶液的硅片在旋涂机上以1500r/min的转速旋涂5s，然后25℃干燥样品，得到二维碘化铅薄片。

实施例7

使用实施例1制备的二维碘化铅纳米片来制备光电探测器。以二维碘化铅薄片作为光电探测器的光敏感功能层，光电探测器以常规场效应晶体管的器件结构实现光电探测。场效应晶体管的制备以及相关的衬底、源漏电极、栅极、绝缘层等都可采用现有技术。

本实施例1中制备得到的二维碘化铅薄片光学照片、对应的原子力显微镜厚度测试、表面粗糙测试结果如图2所示。二维碘化铅薄片尺寸为188um，厚度为80nm，均方根粗糙度rms为0.9nm，可知表面平滑，结晶质量也很高。

本实施例3中在硅片上制备得到的二维碘化铅薄片的xrd图谱如图3所示。所有衍射峰与碘化铅的标准比对卡jcpds07-0235吻合。而且不但衍射峰形状尖锐，而且(003)(004)产生了很明显的衍射峰展宽，说明二维碘化铅薄片结晶度极好。

本实施例5中制备得到的二维碘化铅薄片尺寸分布统计如图4所示。可以看到用本发明的制备方法可以制备得到超过100μm尺寸的二维碘化铅，最大尺寸可以接近300μm。

实施例8

为了体现本发明的有益效果，本实施例采用传统溶液方法制备碘化铅纳米片作为对比。如图5所示，具体制备过程如下：将带有285nm二氧化硅的硅片切成1cm×1cm的若干正方形小片，清洗干燥后备用；将100μl的90℃过饱和碘化铅水溶液(2mg/ml)滴加在硅片上；待溶液完全挥发后得到碘化铅纳米片。

图6为对传统溶液法制备的碘化铅多边形进行测试的结果。从图中可以看出，碘化铅纳米片厚度为576nm，不具备二维厚度，其表面的纹路是表面凹凸起伏，起伏范围可以达到234nm，均方根粗糙度rms为61nm。可见，利用传统溶液法制备碘化铅纳米片，厚度较厚难以达到二维厚度，尺寸不够大(几十微米)，表面起伏大，不够光滑，结晶质量不高。本发明的方法可以很好地解决上述问题。