專利名稱：非摻雜碲化鉍的磁性材料及其制備方法
技術領域：
本發明屬于納米磁性材料的技術領域，特別涉及一種具有室溫鐵磁性的非摻雜的碲化鉍納米材料及其制備方法。
背景技術：
長期以來，碲化鉍(Bi2Te3)由于室溫下具有高的品質因子(ZT)而被廣泛用于熱電材料。最近，Bi2Te3被發現是最簡單的三維拓撲絕緣體之一，其體相是絕緣體，而邊緣和表面則是無能隙的金屬態，并包含一個狄拉克圓錐。這一發現引起了凝聚態物理和材料化學領域極大的關注。現有的碲化鉍(Bi2Te3)材料，都是通過較高溫度下的固態粉末燒結而成，或是將相應的固體粉末利用球磨機研磨制得。并且，大多數是基于體材料的Bi2Te3的制備。對于Bi2Te3的溶膠-凝膠法制備以及碲化鉍納米磁性材料迄今未見報道過。
發明內容
本發明要解決的技術問題是，提供一種溶膠凝膠法制備碲化鉍納米晶的方法，制得非摻雜的納米尺度的具有室溫鐵磁性的碲化鉍材料。本發明的技術方案如下。
一種非摻雜碲化鉍的磁性材料的制備方法，首先將醋酸鉍、油酸和十八烯裝入容器，在氮氣的保護下，磁力攪拌并升溫至醋酸鉍完全溶解；隨后降至室溫，將濃度為
O.2mol/L的碲的三辛基膦溶液加入到容器中，升溫至200°C保溫I小時；經離心洗樣得到碲化鉍粉體磁性材料；其中按摩爾比醋酸鉍碲=2 : 3，按體積比油酸十八烯=1 6，油酸的用量按每mol醋酸鉍加入5L油酸計算。所述的碲的三辛基膦溶液，可以按如下過程配制將碲粉和三辛基膦混合，在氮氣的保護下升溫至20(T250°C保持2 4小時后自然降至室溫，得到濃度為O. 2mol/L的碲的三辛基膦溶液。所述的離心洗樣是按常規方法進行的。由上述方法制得的產物是碲化鉍磁性材料。所述的碲化鉍磁性材料，分子式為Bi2Te3;為三角晶系的納米晶，平均直徑為430nmo本發明提供了在沒有任何雜質(S卩，沒有鐵、鈷、鎳、鉻、錳等元素的摻雜)情況下的納米尺度碲化鉍呈現出室溫鐵磁性。基于密度泛函理論的第一性原理計算表明，點缺陷Te2反位替代BiTe2是導致產生磁性的根本原因。而其他內稟缺陷，如碲空位VTe2和1^反位替代BiTel則不會導致任何磁矩的產生。碲化鉍的磁性與新發現的最簡單的三維拓撲絕緣體相結合，則有望突破時間反演對稱的束縛，從而打開表面的狄拉克點。這一發現可能為將來的自旋電子學和量子計算機方面帶來潛在的應用價值。
圖1為實施例1制備的樣品的X射線衍射譜圖的Rietveld精修。圖2為實施例1所制得的樣品的掃描電鏡照片。圖3為實施例1樣品的高分辨透射電子顯微鏡。圖4為溫度分別在5K和300K時，實施例1所制得的樣品的磁化強度與磁場的關系曲線。其中插圖為中間部分的放大曲線。圖5為實施例1所制得的樣品對應于不同溫度的場冷卻(FC)和零場冷卻(ZFC)磁化強度曲線。
具體實施例方式現結合下列實施例具體地描述本發明。實施例1 Bi2Te3納米晶的制備及表征首先，配制濃度為O. 2mmol/mL的碲的三辛基膦溶液，具體操作工藝如下將碲粉(2mmol)和三辛基膦(IOmL)混合至50mL圓底三頸瓶中，在氮氣的保護下升溫至200°C保持4小時后自然將至室溫，并貯存以備用。也可以在氮氣的保護下升溫至250°C保持2小時后自然將至室溫，配制得到濃度為O. 2mol/L的碲的三辛基膦溶液。
其次，將O. 2mmol醋酸秘，ImL油酸和6mL十八烯裝入50mL圓底三頸瓶中并伴隨著強烈的磁力攪拌，在氮氣的保護下逐步升溫至醋酸鉍完全溶解。隨后逐漸降至室溫。在室溫下將事先配制的O. 2mmol/mL碲的三辛基膦溶液1. 5mL加入到三頸瓶中，然后升至200°C并保持I小時。經離心洗樣得到Bi2Te3粉體。圖1為制備樣品的X射線衍射花樣，從中可以看到制備的樣品為三方晶系(即三角晶系)的Bi2Te3，且具有較好的結晶性。如圖2所示，從所制得的樣品的掃描電鏡照片可以看到，分級結構的(hierarchical) Bi2Te3納米晶平均直徑為430nm。從圖3中的樣品的高分辨透射電子顯微鏡可以看到，條紋間距為3.245 A,對應于三角晶系的(015)晶面間距。實施例2Bi2Te3納米晶的磁性采用超導量子干涉儀MPMS-5對實施例1制得的Bi2Te3納米晶的磁性進行檢測，結果見圖4、圖5。如圖4所示，為溫度分別在5K和300K時樣品的磁化強度與磁場的關系曲線。從中可以看到，樣品在室溫下表現為鐵磁性，且飽和磁化強度為O. 017emu/g。從圖4的插圖中可以看到，樣品在5K和300K時的矯頑力分別為IlOOe和400e。圖5為對應于不同溫度的場冷卻(FC)和零場冷卻(ZFC)磁化強度曲線。從中可以看到阻塞溫度Tb約為170K。此夕卜，FC和ZFC曲線在350K附近逐漸合并，表明在室溫附近仍存在磁秩有序。實施例3 Bi2Te3納米晶的元素含量表征對實施例1制得的Bi2Te3納米晶進行電感耦合等離子體發射譜檢測。表I為樣品的電感耦合等離子體發射譜檢測的元素含量的結果。表I中的平均濃度(mg/L)是各元素在稀釋的王水中的濃度(王水水溶液的濃度小于5%);標準偏差(mg/L)是指偏離元素在稀釋王水中的平均濃度值的大小；平均濃度(PPm)為Bi2Te3樣品中所含元素的質量濃度(μ g/g)。
表I
權利要求
1.一種非摻雜碲化鉍的磁性材料的制備方法，首先將醋酸鉍、油酸和十八烯裝入容器，在氮氣的保護下，磁力攪拌并升溫至醋酸鉍完全溶解；隨后降至室溫，將濃度為O. 2mol/L的碲的三辛基膦溶液加入到容器中，升溫至200°C保溫I小時；經離心洗樣得到碲化鉍粉體；其中按摩爾比醋酸鉍碲=2 3，按體積比油酸十八烯=1 6，油酸的用量按每mol醋酸鉍加入5L油酸計算。
2.根據權利要求1所述的非摻雜碲化鉍的磁性材料的制備方法，其特征是，所述的碲的三辛基膦溶液，按如下過程配制將碲粉和三辛基膦混合，在氮氣的保護下升溫至20(T250°C保持2 4小時后自然降至室溫，得到濃度為O. 2mol/L的碲的三辛基膦溶液。
3.一種權利要求1非摻雜碲化鉍的磁性材料的制備方法制得的碲化鉍磁性材料。
4.根據權利要求3所述的非摻雜碲化鉍的磁性材料，其特征是，碲化鉍磁性材料分子式為Bi2Te3 ;為三角晶系的納米晶，平均直徑為430nm。
全文摘要
本發明的非摻雜碲化鉍的磁性材料及其制備方法屬于納米磁性材料的技術領域。首先將醋酸鉍、油酸和十八烯裝入容器，在氮氣的保護下，磁力攪拌并升溫至醋酸鉍完全溶解；隨后降至室溫，將碲的三辛基膦溶液加入到容器中，升溫至200℃保溫1小時；經離心洗樣得到碲化鉍粉體磁性材料。碲化鉍磁性材料為三角晶系的納米晶，平均直徑為430nm。本發明提供了在沒有任何雜質情況下的納米尺度碲化鉍呈現出室溫鐵磁性；碲化鉍的磁性與最簡單的三維拓撲絕緣體相結合，可能為將來的自旋電子學和量子計算機方面帶來潛在的應用價值。
文檔編號C01B19/04GK103058152SQ201310016349
公開日2013年4月24日 申請日期2013年1月16日 優先權日2013年1月16日
發明者鄒勃, 肖冠軍 申請人:吉林大學