水熱合成的Ag2Te納米線的電學(xué)性能研究

李寧　趙寶

【摘 要】在沒有使用任何表面活性劑和模板的情況下，通過設(shè)備簡單，成本低廉的水熱法，合成了分散均勻的單晶Ag2Te納米線。通過X-射線衍射儀（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）的一系列表征，顯示出該Ag2Te樣品形貌可控，是具有良好的結(jié)晶性的并且是具備高純度的納米結(jié)構(gòu)，其直徑約為200nm，長度可達到數(shù)十微米。更重要的是，首次研究了單根Ag2Te納米線的相關(guān)電學(xué)性能。經(jīng)過在位電場組裝和伏安法測量，發(fā)現(xiàn)在常溫下樣品的I–V曲線是對稱性的，且明顯地顯示出非線性的特點。在加熱過程中，I–T曲線伴隨相轉(zhuǎn)變的發(fā)生，電流也出現(xiàn)巨大變化。這些試驗結(jié)論為將來進一步研究納米結(jié)構(gòu)器件的電輸運性能打下良好基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】納米線；結(jié)晶性；電學(xué)性質(zhì)；納米結(jié)構(gòu)器件

0 引言

隨著人們對金屬碲化物的研究，發(fā)現(xiàn)其在生物磁傳感器、磁場測量、光電轉(zhuǎn)換及信息存儲等方面都存在著一系列的應(yīng)用[1-2]。而作為碲化物中的一種，碲化銀在熱電材料、發(fā)光性質(zhì)、快離子導(dǎo)電性、非線性光學(xué)以及巨磁阻效應(yīng)等領(lǐng)域也存在著潛在的應(yīng)用[3]。最近，出現(xiàn)了一種基于碲化銀納米結(jié)構(gòu)的新型納米裝置，比起通常的多晶塊體碲化銀，這種納米裝置由于在力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)、以及磁效應(yīng)性能等方面所顯示的特殊性能，已經(jīng)引起人們廣泛的研究興趣。因此，針對一維碲化銀納米結(jié)構(gòu)的合成方法出現(xiàn)了很多報道[4-5]。隨著納米微加工技術(shù)的發(fā)展，目前針對一維納米結(jié)構(gòu)器件的電輸運性質(zhì)的測量技術(shù)已日臻成熟。然而，雖然現(xiàn)在有很多關(guān)于塊體或者薄膜的碲化銀[6]的熱電性能的研究報道，但是關(guān)于單根碲化銀納米線的電導(dǎo)性質(zhì)的研究還沒有報道。

根據(jù)之前的文獻報道，Ag2Te樣品的制備主要包括以下兩種方法：一種是在水溶液下用有毒的碲化氫氣體進行反應(yīng)[7]；另一種方法是在高溫條件下讓銀元素和碲元素直接反應(yīng)[8]，但是通過這種方法獲得的樣品的化學(xué)計量比、結(jié)晶度及顆粒大小都難以有效的控制，并且一般都存在不純的混合相。在本文中，我們在沒有使用任何模板和表面活性劑的情況下，通過設(shè)備簡單，成本低廉的水熱方法[9]，合成出了分散均勻的具有高純度、形貌均勻，結(jié)晶性良好的單晶碲化銀納米線，并對其進行表征。尤其重要的是，第一次對單根Ag2Te納米線的導(dǎo)電性能進行測試。首先采用在位電場組裝[10]的方法構(gòu)筑單根碲化銀納米結(jié)構(gòu)器件，通過伏安法測試出樣品I-V曲線，然后對樣品進行加熱。在加熱的過程中，碲化銀樣品會出現(xiàn)相變，在相轉(zhuǎn)變溫度附近，測試其導(dǎo)電性能的變化并分析實驗結(jié)果。相信通過對單根碲化銀納米線的導(dǎo)電性質(zhì)的首次研究，會為今后我們進一步開展對一維納米材料的電學(xué)性能研究提供理論支持，同時也為將來的納米器件[11]的應(yīng)用提供了非常有力的依據(jù)。

1 實驗步驟

（1）準(zhǔn)備AgNO32mmol，Na2TeO31mmol，將二者溶解到30mL水溶液中，然后攪拌5分鐘混合均勻。（2）用滴管分別取水合肼（80%）0.8mL、氨水（25%）0.8mL，迅速的滴入（1）中的混合溶液。（3）把真空干燥箱加熱到180℃，再把（2）中的混合溶液迅速轉(zhuǎn)移到容量為30mL的高壓反應(yīng)釜中，然后放到已經(jīng)加熱好的真空干燥箱中并且保持24 小時。（4）反應(yīng)結(jié)束后將反應(yīng)釜取出，自然冷卻至室溫。

所得樣品的成相分析通過X射線粉末衍射（即XRD， Philips XPert Pro，Cu-Kα，λ=0.154056nm，操作電流為40mA，操作電壓為40kV）表征。形貌和尺寸是通過掃描電子顯微鏡（SEM， JEOL JSM-5600LV）觀察，樣品化學(xué)組成通過固定在掃描電子顯微鏡（SEM， JEOL JSM-5600LV）上的X射線能量色散光譜儀測得。

我們采用在位電場組裝的方法先把Ag2Te納米線組裝到Au電極上，然后再通過掃描電子顯微鏡，進一步觀察是否成功地將單根Ag2Te納米線組裝到電極上。組裝成功后，在室溫條件下對單根納米線的伏安特性進行I-V測試，并在氮氣保護下，通過Keithley 4200-SCS測試系統(tǒng)，使電極從室溫25°C 加熱到205°C，對單根碲化銀納米線的電流轉(zhuǎn)變特性進行研究。加熱過程中加熱速率為10℃/min，測試電壓為0.8V。

2 結(jié)果與討論

圖1（a）是Ag2Te納米線的掃描圖，從圖可知，該樣品形貌可控，分布均勻，而且是結(jié)晶良好的超長納米線，其長度達到了數(shù)十微米，樣品直徑約為200nm。圖1（b）是碲化銀納米線的XRD譜圖，相應(yīng)的米勒指數(shù)和衍射峰分別標(biāo)注在圖中。XRD譜圖的所有衍射峰均與（JCPDS34-0142）相吻合，該樣品的晶格常數(shù)為a=0.8169nm，b=0.894nm及c=0.8065nm，是單斜晶相碲化銀。

圖1 碲化銀納米線（a）SEM圖，（b）碲化銀XRD譜圖，（c）碲化銀納米線的EDS圖

為了進一步分析樣品的化學(xué)組成成分，我們對樣品進行EDS測試。圖1（c）是對碲化銀納米線所做的EDS能譜圖，相應(yīng)的EDS圖證實該樣品共包含碲和銀兩種元素，碲和銀之間的原子比例為22比43。

圖2 （a） 單根碲化銀納米線樣品在常溫下的I-V測試圖，其中小插圖是所測試的搭在電極上的單根碲化銀納米線，（b） 單根碲化銀納米線的電流隨溫度變化曲線

我們分別對室溫下單根Ag2Te納米線I-V特性以及從室溫到205℃升溫過程中的電流-溫度（I-T）關(guān)系變化進行測試，如圖2所示。其中，圖2（a）中的插圖是所測試的搭在電極上的單根碲化銀納米線的SEM圖。從圖2（a）中我們可以看出碲化銀納米線的兩端都和金屬Au電極發(fā)生接觸，這樣就構(gòu)成了金屬-半導(dǎo)體-金屬（M-S-M）結(jié)構(gòu)。在兩點式探針接觸裝置中，由于低溫下的碲化銀半導(dǎo)體呈現(xiàn)單斜相即β-Ag2Te，圖2（a）中的I-V曲線在兩個方向都是非線性的且具有對稱性的，這種導(dǎo)電特點符合室溫下半導(dǎo)體的參數(shù)特性，跟以前的文獻報道相一致[5，12]。

圖2（b）是樣品從室溫開始加熱過程中的電流-溫度（I-T）變化曲線。剛開始加熱時，樣品的電流在增大，此時的碲化銀屬于低溫單斜相（β-Ag2Te），是低熱導(dǎo)率的窄帶半導(dǎo)體，具有高電子遷移率和良好的半導(dǎo)體性質(zhì)。而當(dāng)樣品加熱到100℃左右的時候，其電流值開始發(fā)生緩慢的減小，說明碲化銀樣品開始由單斜晶相（β-Ag2Te）向面心立方相（α-Ag2Te）轉(zhuǎn)變[5，12]。隨著溫度繼續(xù)升高，我們會發(fā)現(xiàn)電流突然發(fā)生了突變，即從1.15×10-5A變到 6.76×10-7A，這表示樣品在隨后的加熱過程中由低溫單斜晶相（β-Ag2Te） 徹底地轉(zhuǎn)變成高溫面心立方相（α-Ag2Te）。隨著相變的發(fā)生，樣品導(dǎo)電性下降了兩個數(shù)量級，這表明此時的高溫面心立方相（α-Ag2Te）帶隙增寬，Ag離子可以在以Te離子構(gòu)成面心立方晶格結(jié)構(gòu)自由的移動。在測試中我們發(fā)現(xiàn)了巨大的電流變化趨勢，這是非常有趣的現(xiàn)象，這為我們以后致力于研制新型的納米器件提供了有力的參考依據(jù)。

3 總結(jié)

本文運用水熱方法制備了高純度，結(jié)晶性良好的一維碲化銀納米線。通過各種微納米設(shè)備，我們對樣品進行了一系列的表征。

常溫下，單根碲化銀納米線的I-V曲線具有對稱性且在兩個方向都是非線性的。隨著溫度的升高，出現(xiàn)的電流突變表明了在單根碲化銀納米線中發(fā)生了從單斜相到面心立方相的相轉(zhuǎn)變，并且在高溫相時，碲化銀表現(xiàn)出良好的超離子導(dǎo)電性?；谝陨辖Y(jié)論，碲化銀可以作為一種很好的場傳感器和熱電材料而得到應(yīng)用，重要的是，這一實驗結(jié)果促進了我們以后對新型的納米器件特性進行更深層次的研究。

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[責(zé)任編輯：朱麗娜]