[发明专利]一种高效合成单晶六方氮化硼结构的取代反应方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种合成氮化硼片层结构的方法，特别是一种利用高温取代反应技术高效制备单晶六方氮化硼结构的方法。

背景技术

自2010年英国曼彻斯特大学的科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫凭借他们在石墨烯上的系统研究获得诺贝尔物理学奖以来，以石墨烯以代表的新型二维纳米结构受到了越来越多的关注。而在这些新型的二维纳米结构之中，氮化硼二维层状结构具有高杨氏模量(36.5GPa)、高熔点(3200K)、高热导率(20W·cm^-1K^-1)、低密度(2.1g/cm³)和很大的直接带隙(5.5eV)等优点，并且拥有和石墨烯十分相似的结构，所以逐渐成为了国内外研究者们关注的焦点。氮化硼结构由于具有独特的物理和化学特性，所以在紫外激光器、先进陶瓷复合材料、固态润滑剂、生物传感及压电领域都具有很大的应用前景。

近年来，已经有很多研究小组利用不同的方法来尝试合成氮化硼层状结构。如：瑞士的Osterwalder小组(J.Osterwalder et al.,Science303(2004)217)在超高真空的系统中，在1070K的温度下，利用环硼氮烷气体作为原料，在清洁的Rh(111)衬底上首次制备出了BN片层结构；日本的支春义等人(C.Y.Zhi et al.,Adv.Mater.21(2009)2889)以氧化硼粉末作为源材料，使用DMF(N,N-二甲基甲酰胺)作为分散氮化硼粉末的溶剂，利用超大功率的超声仪超声分散10小时获得了少量的少层氮化硼片层结构；新加坡南洋理工大学的Shi等人(Y.M.Shi et al.,Nano Lett.10(2010)4134)利用环硼氮烷气体和氮气作为反应气源，采用化学气相沉积法，在覆盖Ni催化剂薄层的Si衬底上合成了氮化硼片层结构；中国山东大学的崔得良小组(D.L.Cui et al.,J.Mater.Chem.A1(2013)5105)利用NaBH₄、NaN₃、NH₄Cl和升华硫为源材料，利用水热法合成了氮化硼的片层结构等。

但是总结上面所述的制备方法，我们发现绝大多数的制备方法总是或多或少地存在下列问题：如氮化硼片层结构的产率低、结晶质量差以及源材料昂贵或毒性较大。而这些问题对在实际的工业生产和应用造成了很多不便，这阻碍了氮化硼片层结构的快速发展和使用。因此寻找一种能够高效、低成本及合成单晶氮化硼片层结构的绿色制备工艺就变得十分必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用简单的高温取代反应来高产率制备单晶氮化硼片层结构的新方法。

本发明采用以下技术方案解决该现有技术的问题，一种高效合成单晶六方氮化硼结构的取代反应方法，以氧化硼粉末和碳源材料作为反应原料，进行高温取代反应，包括以下步骤：

(a)原材料的放置：首先将一定量的氧化硼粉末放在坩埚的底端，再按比例将适量的碳源材料均匀覆盖在粉末上层，然后将装有原材料的坩埚传递入反应电炉中；

(b)取代反应：首先将反应电炉真空度抽至5-20Pa，然后通入N₂和/或NH₃的混合气体，使反应电炉内维持在一定的气压；再在N₂和/或NH₃的气氛中，将原材料快速升温至生长温度，并保温生长一段时间，即可通过本取代反应合成单晶氮化硼结构。

上述碳源材料包括：石墨粉末、活性碳粉、非晶碳粉、高还原性碳粉、碳黑、单臂、双臂或多臂碳纳米管。

上述氧化硼粉和碳源材料的质量比例B₂O₃：C为3:1-10:1。

上述坩埚为高熔点坩埚，包括石墨坩埚、BN坩埚或刚玉坩埚。

上述反应电炉包括热蒸发炉、管式炉、马弗炉、感应热炉、箱式炉、电子束加热炉、微波加热炉或激光加热炉。

上述N₂和NH₃混合气体的流量比例为100:0-100:20。

上述步骤b中反应电炉内反应系统的气压为0.1-1个大气压。

上述步骤b中保温生长的温度为1100-1800℃，升温速率为40-200℃/min。

上述步骤b中保温生长时间为2-8小时。

所述氮化硼结构根据调控生长工艺参数，可以获得片层结构、带状结构、管状结构、塔状结构和球状结构等多种形貌。