结构与物性 (2)

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SnS低维纳米结构及物性研究

学号1323000001

2017/1/7

摘要

Sn S低维纳米结构的制备及高压物性研究

硫化亚锡（Sn S）是具有层状正交晶体结构的IV-VI 族P 型半导体材料，光学带隙介于Si (1.12 e V)和Ga As (1.43 e V)之间，其独特的光电转化特性使其与太阳能辐射有很好的光谱匹配，适用于太阳能电池的光吸收层、电致发光显示器的近红外探测材料和光电器件等。此外，Sn S 还在锂电池电极方面具有广泛应用。随着微电子和光电子器件对集成化程度越来越高的需求，单个元件的尺寸将向纳米尺度发展，这类新型的层状半导体材料Sn S 和Sn Se 已成为国际纳米材料研究的前沿和热点。目前，国内外许多研究小组分别利用不同的方法对Sn S 纳米材料进行了广泛的研究，但大多数的研究集中在多种纳米结构的制备和常压下的物性研究，并且制备方法多为化学合成方法，通常这些方法需要复杂的反应过程，价格昂贵且有毒的反应原料，一些制备方法还需要相当长的反应时间。

本文利用直流电弧等离子体放电装置，以锡粉，硫粉为反应原料，实现可控制备SnS、Sn Se不同元素配比的多种低维纳米结构。结合原位高压测量技术，对所制备样品的高压相变行为进行了系统地研究。具体内容如下：

1. 利用直流电弧等离子体放电装置，以锡粉(Sn)和硫粉(S)作为反应原料，二者按摩尔比1:1 进行配比，工作环境气体为10 k Pa 氩气，初始电流为100 A，工作电压为18 V，放电反应时间为3 min。在顶盖和冷凝壁靠近阳极区域分别收集到Sn S 纳米片和Sn S 纳米颗粒，并对样品进行多种基础物性表征。

2. 利用原位高压X射线衍射技术和原位高压拉曼散射技术对Sn S纳米片样品的高压行为进行了系统地研究。研究发现，Sn S纳米片在

3.0 GPa时发生从正交结构Pnma空间群向正交结构Cmcm空间群的二阶连续等结构相变。在12.7GPa 时，再次发生从正交结构向单斜结构的一阶结构相变。研究后发现，两次结构相变的相变压力点均低于其体材料，这是SnS常压晶胞体积膨胀带来的泊松比和剪切模量软化所引起的。此外，Sn S纳米片初始相Pnma结构的体积弹性模量，其体材料相近，这一反常压缩特性是由纳米片的特殊片层状晶体几何结构决定的。而高压相Cmcm结构的体弹模量却远高于其体材料，这是由于Sn S纳米片发生压致形貌改变后，具有了更高的表面能所导致的。

3. SnS纳米片独特压致现象的成功发现，以及对产生这些新现象的原因给予的合理解释，都有助于深入了解金属硫化物片层状纳米结构的本质物理属性。本工作的意义不仅在于首次系统性地提出了有关金属硫化物纳米材料高压行为的相关信息，更在于为整个IV-VI族金属硫化物纳米材料的可控制备及其压致相变行为研究提供了新方法和新思路。

关键词：硫化亚锡，晶体结构，高压X射线衍射，高压拉曼光谱，结构相变

目录

摘要 (1)

目录 (2)

绪论 (1)

§1.1样品制备过程介绍 (3)

§1.2 Sn S低维纳米结构的制备与表征 (3)

§1.3 Sn S 纳米片的X 射线衍射分析 (4)

§1.4 Sn S 纳米片的形貌及微观结构分析 (4)

§1.5 Sn S 纳米片的紫外可见漫反射光谱分析 (5)

§1.6 Sn S 纳米片的高压结构相变研究 (6)

结论与意见 (7)

参考文献 (7)

1.1样品制备过程介绍

对初始样品原料采用混合金属粉压块的方法，具体操作步骤如下：选取粒径为 200 ，纯为 99.99%的锡粉（Sn）和硫族元素粉体为初始原料，按一定摩尔比例将多种粉体充分混合均匀后倒入模

具中，在适当的压力和保压时间下，

压制成直径为 18 mm 厚度为 5 mm

的金属锭。选取纯度均为 99.99%的氮

气（N2）、氩气（Ar）或二者按一定比

例的混合气作为反应时的工作气体。

阴极选用纯度为 99.99%，经抛光后的

钨棒，朝向阳极方向的钨杆尖端打磨

成锥形尖头，易于尖端放电。当真空

计示数小于 5 Pa时，关闭抽气阀门，

打开工作气体气瓶阀门，充入一定量

的工作气体进行洗气。往复进行洗气

工作三次左右后，基本可以除去反应

腔体内部的杂质气体。开启直流焊机

开关，预设初始反应电压和电流值，

打开循环冷却水开关，实验开始。在

反应过程中，通过外部阳极控制器调

近阴极钨杆尖端和阳极金属锭之间的

距离，接触起弧后将二者缓慢拉开，

观察电压值稳定后停止拉弧，预设反

应时间，手动关闭直流焊机开关，断

弧，反应结束。此时，根据样品实际

情况，判断样品是否需要钝化处理。

若需要钝化，先将工作气体抽走后，

注入一定量的惰性气体，钝化时间一般为 6~12 小时，钝化结束后，对反应腔内不同位置的样品进行分区域收集，在真空状态下保存以供测试分析。

1.2 Sn S、Sn Se低维纳米结构的制备与表

利用直流电弧等离子体放电装置制备Sn S 纳米片初始原料为纯度99.99%的Sn 粉和S 粉，将二者按摩尔比1:1 充分混合后倒入模具中利用手动油压压片机，将混合粉体压制成直径为18 mm 厚度为5 mm 的金属锭，把金锭置于电弧阳极石墨槽内。将电弧系统反应腔内抽至真空状态，经多次洗气后，充入10 k Pa 氩气作为工作环境气体。将初始电流调至100 A 后，通过手动调节阴极钨杆与阳极合金之间距离，使其接触放电，反应开始。继续调节阴阳极之间距离，将工作电压调节至18 V 左右，使其在此工作条件下放电反应3 min 后，切断电源，反应结束。待系统冷却后，打开反应腔，在顶盖处收集到灰黑色绒毛状样品，对样品进行真空密封保存，以供测试分析。