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12025-32-0 / 硫化锗的应用

背景及概述[1][2]

硫化锗具有独特的光学和电子变速性能,以及其高稳定性、储量丰富、环境友好、低毒等性能,更为重要的是其禁带宽度小,硫化锗薄膜具有吸收单电子的多态激子的潜力,有望应用于新型光电探测器件。由于锗和硫的熔点和沸点均具有较大差距,同时,又由于在硫和锗的反应过程中易生成硫化锗及其他锗的化合物,而想将其应用于器件,比较好的办法是将其制备成薄膜,迄今为止,还没有有效地能大面积制备一硫化锗薄膜的方法报道。

理化性质[1]

虽然硅与锗同属于一个主族元素,但锗易与硫生成硫化锗和二硫化锗,而硅则不与硫直接反应生成硫化物。锗的硫化物特别是硫化锗的升华挥发温度较低,约800-1000℃,因此只要将高硅锗原料中的锗暴露出来,不被包裹,并有充分的元素硫与之结合,800℃左右就能反应生成硫化锗升华挥发出来。随着温度升高,硫化锗与硫接触生成二硫化锗,这时的二硫化锗没有升华特性,但在1000℃左右仍然能大量挥发出来。再提高温度,对硫化锗的挥发意义不大,反而会使二氧化硅熔融,产生包裹现象,降低硫化锗的挥发率。

二氧化锗是微波辐射的透过体,不吸收微波辐射,但硫化钠,硫单质及反应生成的硫化锗,硫化锗是高吸收微波辐射的物质,因此当采用微波辐射进行硫化挥发时,只有其中的硫化物选择性吸收微波辐射,产生瞬间高温,使锗与硫反应生成硫化锗,而硫化锗继续吸收微波辐射,达到升华和挥发的温度,微波辐射透射性很强,而且均匀,硫化锗的挥发效率高,也不会产生过高的局部高温,所得的主要是硫化锗,利于后续工序处理,较之烟化炉,回转窑的间接加热方式和通过介质进行热传导优越。用烟化炉或回转窑进行硫化挥发,由于是以燃料燃烧提供热量,不可避免地产生部分硫化锗的氧化,因此得到的是硫化锗与氧化锗的混合物。

硫化锗的应用

日前,美国科学家最新设计了一种微型电池,这种微小粉红色纳米结构可以彻底颠覆传统电池设计,以独特的表面结构存储能量。这种“纳米花”是由硫化锗(一种半导体材料)制成,其花卉外形以更小的空间具有更多的表面结构来存储能量,这将成为理想的能量存储应用,例如智能手机电池。

应用[3]

一种一硫化锗薄膜制备方法,步骤如下:

1)称取20mg的硫化锗粉末放入30mL的乙醇溶液中,使用超声波清洗机超声震荡15min,加入聚苯乙烯,形成紫黑的悬浊液。

2)将悬浊液平均倒入两只离心管中,放入离心机中离心7min,离心机的转速为2000r/min,离心后取上层清液于50mL的烧杯中。

3)称取10mg的碘粉加入离心得到的上层清液中,再次超声震荡10min,使碘粉颗粒充分分散在乙醇中。

4)将需要沉积硫化锗薄膜的ITO基片连接直流稳压电源的负极,将金属铂片连接直流稳压电源的正极,然后将金属铂片与ITO基片保持平行并浸没在硫化锗粉末与碘的悬浊液中,二者间距1cm左右,如1.1cm。

5)打开直流稳压电源,调节电压为30V,施加在ITO基片与金属铂片之间,注意正负极不要接反,并开始计时5min。

沉积开始以后,可以在直流稳压电源的显示器上看到有电流示数产生,这说明有硫化锗颗粒正在ITO基片上沉积。计时结束后将ITO基片从悬浊液中取出来,然后在电热鼓风干燥箱中烘干,去除薄膜表面的碘杂质,从而得到纯净的硫化锗薄膜。

制备[2]

(1)将质量比为2:1的碳酸钙和纯度水平为99.5%的单质钙的混合物和质量比为4:3:3的纯度水平为99.9%的锗粉、二氧化锗、一氧化锗的混合物以摩尔比为1:1的量装载到石英管中,在真空封管机上排出至毫托压力,在真空下利用氢氧焰炬密封,在1000℃下退火20小时,冷却至室温后,将反应产物在20w%的HCl溶液中搅拌5天,温度控制在-20℃,得到产物后,依次用超纯水,甲醇洗涤,干燥得到纯化的锗多层石墨烯类似物GeH。

(2)将上述产物GeH和纯度水平为99.5%的硫粉以1:5的摩尔比添加到石英管中,利用真空封管机,在真空下密封,然后在800℃下退火8小时,冷却至室温后,依次用二硫化碳和超纯水洗涤,干燥,得到层状硫化锗。

主要参考资料

[1]徐键, 夏海平, 张约品, 章践立, & 王金浩. (2004). 不同先驱体溶胶-凝胶法制备的硫化锗玻璃薄膜. 硅酸盐学报, 32(8), 1029-1032.

[2] 顾少轩, 马志军, 潘瑞琨, 陶海征, & 赵修建. (2008). 脉冲激光沉积硫化锗-硫化稼-硫化镉非晶薄膜的结构和性能. 硅酸盐学报(12), 1725-1729.

[3] Shaoxuan, Haiping, Haizheng, ZHAO, & Xiujian. (2005). Properties and microstructure of ges2-ga2 s3- cds glasses. 武汉理工大学学报:材料科学英文版, 20(4), 120-122.