[发明专利]制备超结构孪晶材料的方法

说明书

本发明提供了一种制备超结构孪晶材料的方法，所述方法包括以下步骤：(i)提供具有第一晶体结构的第一晶体；(ii)使得所述第一晶体处于水热条件之下，在不解除所述水热条件的条件下，使得所述第一晶体与用来形成第二晶体的第二原料接触，发生第二反应，从而在所述第一晶体上生长具有第二晶体结构的第二晶体；所述第二晶体在所述第一晶体上构成所述超结构孪晶。本发明还提供了由该方法制得的孪晶材料，以及该孪晶材料的应用。

技术领域

本发明属于纳米材料技术、半导体光电应用及新能源开发技术等领域，特别是涉及一种具有超结构的二氧化钛孪晶材料的制备方法。

背景技术

孪晶，是指两个晶体(或一个晶体的两个部分)沿着一个公共晶面构成镜面对称的位向关系，这两个晶体就称作“孪晶”。由于孪晶界(尤其是共格孪晶界)附近的原子排布较为特殊，一般为原子密排面，并且在所有晶界中孪晶界面能最低，因此，相比单晶和多晶，孪晶表现出独特的力学、热学、电学、光学和催化等性质，在众多领域具有迷人的应用前景。例如，纳米孪晶铜表现出的拉伸强度比粗放晶粒铜高出十多倍，且基本保留纯铜的电导率；纳米孪晶三五(III-V)族半导体常常拥有较高的光学吸收率和交错的能带排列；纳米孪晶金刚石表现出空前的力学硬度。从晶体学角度，采用孪生手段，我们可以制造出比多晶性能更优异和比单晶更为花样繁多且有序的结构材料，或称为“超结构材料”。已有研究表明，这类超结构(纳米)孪晶材料在多过程、多参量控制的应用体系中发挥出明显的优势，如光(电)催化、热电转换和高强度金属等应用。

迄今为止，人们已经发展了多种孪晶制备途径，包括：机械应力法、水热法、溶剂热法、溶胶凝胶法、电化学沉积、催化剂辅助的气液固相(VLS)生长、金属有机气相外延生长(MOVPE)、分子束外延生长(MBE)、脉冲激光烧蚀等。然而，这些方法制备的孪晶一般为偶然发现，且不是理性地设计和可控地制备孪晶。这是因为：一方面，人们对孪晶的形成机理知之甚少，这反过来限制了制备方法的发展；另一方面，现有的制备方法还存在设备庞大、昂贵、操作或步骤复杂等缺点，加大了可控制备的难度。因此，目前的紧急和极具挑战的任务是发展一种简单、经济且有效的孪晶制备方法，这不仅为基础研究提供极大的便利和丰富的孪晶研究平台，而且对孪晶的实际应用具有重大推动作用。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种简单而可控的孪晶制备方法，根据本发明的第一个方面，本发明的方法包括以下步骤：

(i)提供具有第一晶体结构的第一晶体；

(ii)使得所述第一晶体处于水热条件之下，在不解除所述水热条件的条件下，使得所述第一晶体与用来形成第二晶体的第二原料接触，发生第二反应，从而在所述第一晶体上生长具有第二晶体结构的第二晶体；

所述第二晶体在所述第一晶体上构成所述超结构孪晶。

根据本发明的一个实施方式，提供具有第一晶体结构的第一晶体的步骤(i)是通过以下方式中的一种进行的：

(a)将用于形成第一晶体的第一原料加入水热釜中，在水热条件下进行第一反应形成所述第一晶体，并且在形成所述第一晶体的反应过程中，所述第一原料不与所述第二原料接触；

(b)直接将所述第一晶体加入水热釜中；或者

(c)将第一晶体与用于形成第一晶体的第一原料一同加入水热釜中，所述第一原料在水热条件下进行第一反应形成所述第一晶体，并且在形成所述第一晶体的反应过程中，所述第一原料不与所述第二原料接触。

根据本发明的另一个实施方式，所述超结构孪晶为具有超结构的纳米孪晶，换而言之，在所述第一晶体的表面上外延生长的第二晶体具有纳米结构。