一种有机无机杂化铋碘阴离子簇基半导体材料

摘要

本发明公开了一种有机无机杂化铋碘阴离子簇基半导体材料及其制备方法。所述有机无机杂化半导体材料，其分子结构式为(MV)2(Bi4I16)，式中MV为带两个单位正电荷的有机阳离子甲基紫精，该材料中的(Bi4I16)阴离子则是三价铋离子和碘离子配位构成的四核簇结构阴离子。通过碘化铋与甲基紫精碘化物的溶液发生配位反应，方便且廉价地制备获得了半导体性能和热稳定性能良好的有机无机杂化半导体材料，其禁带宽度适中、热稳定性好，可将其应用于光电子材料技术领域。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体材料技术领域，涉及无机簇合物材料和有机无机杂化材料领域，特别是涉及碘化物基半导体材料领域。

背景技术

电子技术是科学技术现代化的基础之一，也是现代科学技术的一个显著特征。当前，电子技术已经渗透到了国民经济的各个领域，电子工业的兴起也带来了国民经济的广泛而深刻的技术革新。电子技术中起主要作用的是电子设备的心脏——用半导体材料所制成的元件。由此看来，半导体材料恰是电子工业的基础，它也是电子工业最重要的原材料。回顾历史，从上世纪中期开始，硅材料的发现以及五十年代初期的以硅为基础的集成电路的发展，导致了电子工业革命性浪潮。而今，计算机、互联网、物联网、机器人技术发展日新月异，而这些技术与现代微电子技术的发展也是密不可分的，也是以半导体材料技术的发展为基础的。

我国的半导体材料产业经过近半个世纪的努力发展，已经具备了一定的基础，特别是在改革开放以后，我国半导体材料获得明显的发展，除基本满足国内市场的需求之外，甚至已经开始有一些材料逐步进入国际市场。但是仔细调查之后可以发现，我国半导体产业链的情况是，下游端的技术应用和市场开发能力较强，而处于上游端的创新设计和加工制造水平还是较弱；产业链中尤其凸显出来的一个关键问题则是材料研发的水平尚有待提高，这也是我国半导体产业发展当中亟需把握在手的“七寸”所在。因此，大力研发半导体材料，推动半导体产业以及电子技术的进步具有重大的现实意义。

20世纪中叶，单晶硅和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研制成功，导致了电子工业革命；上世纪70年代初石英光导纤维材料和GaAs激光器的发明，促进了光纤通信技术迅速发展并逐步形成了高新技术产业，使人类进入了信息时代。超晶格概念的提出及其半导体超晶格、量子阱材料的研制成功，彻底改变了光电器件的设计思想，使半导体器件的设计与制造从“杂质工程”发展到“能带工程”。纳米科学技术的发展和应用，将使人类能从原子、分子或纳米尺度水平上控制、操纵和制造功能强大的新型器件与电路，必将彻底改变人们的生活方式。在组分和性能创新的半导体材料方面，世界各国也都投入了大量的研发力量，也获得了长足的进展。早在1999年，我国就研制成功了980nm的InGaAs带间量子级联激光器；2000年初，法国汤姆逊公司报道的单个半导体激光器的准连续输出功率超过10瓦；随着1993年GaN材料的P型掺杂突破，GaN基材料成为蓝绿光发光材料的研究热点，从而带来了以LED为代表的固态半导体照明的蓬勃发展；而最近，研究者通过利用钙钛矿结构的卤化铅基半导体，在新型太阳能电池研发方面不断取得突破，目前的能量转化效率已经媲美硅基半导体，展现了巨大的开发潜力。

近年来，为了解决日益严峻的能源和环境问题，人们把目光投向了新能源的开发和利用上。在各种新能源技术中，光伏发电无疑是最具有前景的方向之一。传统的硅基太阳能电池虽然实现了产业化，有着较为成熟的市场，但其性价比还无法与传统能源相竞争，并且制造过程中的污染和能耗问题影响了其广泛应用。因此，研究和发展高效率、低成本的新型太阳能电池十分必要。在众多的新型太阳能电池里，钙钛矿薄膜太阳能电池近两年脱颖而出，吸引了众多科研工作者的关注，还被《Science》评选为2013年十大科学突破之一(魏静，赵清，李恒，施成龙，田建军，曹国忠，俞大鹏，钙钛矿太阳能电池：光伏领域的新希望，中国科学：技术科学，2014年，44(8)，801-821。)。钙钛矿薄膜太阳能电池的光电转化效率在5年的时间内从3.8％迅速提高到经过认证的16.2％(截止到2013年底)，把染料敏化太阳能电池、有机太阳能电池等新型薄膜太阳电池甩在了身后，这也得益于该类新材料极高的吸光系数。由此可见，新型半导体材料的涌现，往往同时带来光电子技术的革新。不过对于现今的技术应用需求，现有可供选择的半导体材料尚显不足，仍有很大的创新研发空间和需要。因此，开发新型廉价的新型组份的化合物半导体材料具有重大的国家战略意义和重要的实际应用价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种有机无机杂化铋碘阴离子簇基半导体材料及其制备方法。通过碘化铋与甲基紫精碘化物的溶液发生配位反应，方便且廉价地制备获得了半导体性能和热稳定性能良好的有机无机杂化半导体材料，其禁带宽度适中、热稳定性好，可将其应用于光电子材料技术领域。

本发明的技术方案之一，是提供一种新的有机无机杂化半导体材料，由碘化铋与甲基紫精碘化物的溶液发生配位反应得到，其分子结构式为(MV)₂(Bi₄I₁₆)，式中MV为带两个单位正电荷的有机阳离子甲基紫精。

所述有机阳离子甲基紫精，是4，4′-二联吡啶中的两个N甲基化形成的阳离子，每个阳离子带两个单位正电荷，其分子结构如式(I)：

所述半导体材料为三斜晶系，P-1空间群，晶胞参数为α＝105.51(3)°，β＝113.08(3)°，γ＝96.63(3)°，Z＝2，D_C＝3.776g/cm³，材料的晶体颜色为深红色；该半导体材料结构表现为离子型有机无机杂化结构，其中阳离子为带两个单位正电荷的孤立的紫精阳离子，而阴离子则是三价铋离子和碘离子配位构成的四核簇结构阴离子，每个簇阴离子带四个单位负电荷，与两个紫精阳离子匹配，整个结构达到电荷中性；该材料的簇阴离子中铋离子都采用BiI₆八面体型配位模式，而16个碘离子中有10个采用端基配位模式，另外4个采用μ₂桥基、2个采用μ₃桥基配位模式联结相邻的铋离子；该半导体材料的分子结构如式(II)：

所述半导体材料应用于中等禁带半导体材料，该材料禁带宽度为1.95eV，能强烈吸收光子能量大于该阈值的可见光和紫外光，最大吸收峰值位于495nm波长处。

本发明的技术方案之二，是提供一种有机无机杂化铋碘阴离子簇基半导体材料(MV)₂(Bi₄I₁₆)的制备方法。该制备方法是由碘化铋和甲基紫精碘化物的溶液发生配位反应得到，最后以析出得到晶体粉末的产物而实现。其具体实施方案分为三个步骤：

(1)室温下将碘化铋固体粉末溶解在丙酮中，得澄清溶液A；

(2)室温下将甲基紫精碘化物的固体溶解在水中，得澄清溶液B；

(3)将所述溶液B加入溶液A中，立刻形成浑浊，加料完成后继续搅拌反应半小时，形成大量晶体产物，过滤析出晶体，再用水和乙醇分别洗涤两次，真空干燥，最后得到大量深红色晶体即为所述杂化材料目标产物。

本发明制备方法中，所述两种反应物碘化铋∶甲基紫精碘化物的摩尔比为2∶1。

本发明的有益效果首先是所提供的有机无机杂化铋碘阴离子簇基半导体材料(MV)₂(Bi₄I₁₆)，其中引入的有机阳离子为甲基紫精MV，而紫精阳离子具有典型的电荷转移特性，其与铋碘阴离子簇形成有机无机杂化结构有利于载流子的跳跃型传输；另一方面，该材料中的无机阴离子为簇结构的阴离子(Bi₄I₁₆)，其中铋离子采用BiI₆八面体型配位模式，而16个碘离子中有10个采用端基配位模式，另外4个采用μ₂桥基、2个采用μ₃桥基配位模式联结相邻的铋离子，因而电负性较弱的铋和碘离子形成的四核簇结构的阴离子，与紫精阳离子之间有很强的电荷转移特征；实际测量显示该材料具有1.95电子伏特的禁带宽度，因而该材料是较好的中等禁带半导体材料。该有机无机杂化半导体材料既具备廉价和易于纯化的优点，而且具有很好的热稳定性，为杂化半导体材料的进一步应用提供了技术支持。

本发明的有益效果，其次是制备有机无机杂化铋碘阴离子簇基半导体材料(MV)₂(Bi₄I₁₆)的方法，具有工艺简便，所用设备简单，生产成本低，可以在很短的时间内得到具有很高产率的产物等优点。

附图说明

图1.有机无机杂化铋碘阴离子簇基半导体材料(MV)₂(Bi₄I₁₆)分子的结晶学独立单元单晶结构图。

图2.有机无机杂化铋碘阴离子簇基半导体材料(MV)₂(Bi₄I₁₆)分子中四核阴离子簇的结构图。

图3.有机无机杂化铋碘阴离子簇基半导体材料(MV)₂(Bi₄I₁₆)分子在单胞内及其周边空间的堆积图。

图4.有机无机杂化铋碘阴离子簇基半导体材料(MV)₂(Bi₄I₁₆)的紫外-可见吸收(UV-Vis)光谱图。

图5.有机无机杂化铋碘阴离子簇基半导体材料(MV)₂(Bi₄I₁₆)的热重-差热(TG-DSC)分析曲线，横坐标表示温度，左侧纵坐标表示重量百分数，右侧纵坐标表示热量。

具体实施方式

本发明的实现过程和材料的性能由实施例说明：

实施例1

大量的有机无机杂化铋碘阴离子簇基半导体材料(MV)₂(Bi₄I₁₆)晶体样品的制备：称量0.603g(1mmol)的碘化铋溶解在40毫升丙酮中得澄清溶液A，称量0.222g(0.5mmol)的甲基紫精碘化物溶解在8毫升水中得澄清溶液B；然后，将上述溶液B加入溶液A中，立刻形成浑浊，加料完成后继续搅拌反应半小时，形成大量晶体产物，过滤析出晶体，再用水和乙醇分别洗涤两次，真空干燥，最后得到大量深红色晶体即为所述杂化材料目标产物，产率超过80％。

实施例2

合成有机无机杂化铋碘阴离子簇基半导体材料(MV)₂(Bi₄I₁₆)的单晶：称量60mg(0.1mmol)的碘化铋溶解在5毫升丙酮中得澄清溶液A，称量22mg(0.05mmol)的甲基紫精碘化物溶解在5毫升水中得澄清溶液B；然后，先将溶液B置于试管中，再将溶液A慢慢加入试管中使其处于溶液B的上层，试管封口后静置，几天后有大量深红色块状晶体析出。挑选一颗0.18mm*0.16mm*0.10mm尺寸的深红色块状晶体用于X-射线单晶结构测试。该化合物的结晶学独立单元的结构图示于附图1，其铋碘阴离子簇及相应的抗衡阳离子甲基紫精的结构图示于附图2，其晶胞堆积结构图示于附图3。

对有机无机杂化铋碘阴离子簇基半导体材料(MV)₂(Bi₄I₁₆)的纯相晶体样品进行了一些列性能测试。对本发明材料晶体进行了紫外-可见漫反射光谱测试，结果表明该材料的禁带宽度为1.95eV，能强烈吸收光子能量大于该阈值的可见光和紫外光，最大吸收峰值位于495nm波长处，具体的紫外-可见光谱如附图4所示。对该发明材料进行了热分析，热重-差示扫描量热(TG-DSC)测试表明该材料具有较好的稳定性，见图5所示。可见，该有机无机杂化材料是较好的中等禁带半导体材料，而且该材料既具备廉价和易于纯化的优点，同时也具有很好的热稳定性。该发明为杂化半导体材料的进一步应用提供了技术支持。