SnS、SnSe、SnSxSe1-x纳米材料的可控制备与高压研究

Tin(II) sulfide (SnS) and tin(II) selenide (SnSe) is an important binary IV–VI semiconductor compound with a wide range of potential applications such as infrared optoelectronic devices, anode materials for rechargeable lithium batteries, solar cell and thermoelectric/Photoelectric property. In this project, low-dimensional SnS, SnSe and SnSxSe1-x with tunable diameter and morphology will be synthesised by plasma-assisted arc discharge method. On this basis, the high-pressure behavior of SnS, SnSe and SnSxSe1-x with different size and morphology will be investigated by angle-dispersive synchrotron powder X-ray diffraction, Raman spectroscopy techniques, fluorescence spectroscopy in a diamond anvil cell. Using high pressure tools, we can investigate the influencing factors on the structure, band gap, optics and eletronic behavior of layered sructure semiconductor nanomaterials in terms of atomic interaction, reveal the effects of morphologies and sizes on high pressure structure Stability and phase transitions regularity. Through this project, it can not only be expected that this technique should be applicable for the controllable synthesis of SnS、SnSe、SnSxSe1-x nanomaterials, but also improve our understanding about physics properties of layered structure semiconductor under high pressure. Our project will play a positive role in promoting the crossover study of high pressure science and nanomaterial science.

硫化锡（SnS）和硒化锡（SnSe）是具有层状结构的典型窄带隙IV–VI族半导体，在红外器件、Li电池阳电极、太阳能电池、热电/光电转换等领域具有广泛的潜在应用。本项目拟通过直流弧光等离子体方法制备尺寸和形貌可控的低维纳米SnS、SnSe、SnSxSe1-x。并采用金刚石压砧高压实验技术，对它们进行原位高压X光衍射、高压拉曼和高压荧光测量，系统地研究它们的晶体结构、能带、光学和电学性能等随压力的变化规律，结合理论计算模拟，从原子角度认识压力对这类层状半导体纳米材料的晶体结构与物理性质的影响规律，揭示不同形貌和尺寸对其结构稳定性和相变规律的影响。通过本项目的实施不仅可以建立可控制备SnS、SnSe和SnSxSe1-x低维纳米材料的新方法，而且能够加深对高压下层状半导体纳米材料的晶体结构与物理性能的认知，为高压科学与纳米材料科学交叉研究提供新思路。

本项目采用直流电弧等离子体放电装置，以锡粉，硫粉，硒粉为反应原料，实现可控制备SnS、SnSe、SnSxSe1-x不同元素配比的多种低维纳米结构。利用原位高压X射线衍射技术和原位高压拉曼散射技术对SnS、SnSe纳米材料高压行为进行了系统地研究。发现SnS纳米片在3.0 GPa时发生从正交结构Pnma空间群向正交结构Cmcm空间群的二阶连续等结构相变。在12.7 GPa时，再次发生从正交结构向单斜结构的一阶结构相变。研究后发现，两次结构相变的相变压力点均低于其体材料，这是由SnS常压晶胞体积膨胀带来的泊松比和剪切模量软化所引起的。此外，SnS纳米片初始相Pnma结构的体积弹性模量与其体材料相近，这一反常压缩特性是由纳米片的特殊片层状晶体几何结构决定的。而高压相Cmcm结构的体弹模量却远高于其体材料，这是由于SnS纳米片发生压致形貌改变后，具有了更高的表面能所导致的。同时，SnS纳米片单斜相的体弹模量与其体材料相近，这是由于高压下SnS单斜结构的纳米效应不明显，从而表现与体材料相似的压缩性。SnSe纳米片在6.8 GPa时发生从正交结构Pnma空间群向正交结构Cmcm空间群的二阶连续等结构相变。SnSe纳米片的相变压力点低于其体材料，这同样是由于SnSe常压下的晶胞体积异常膨胀所引起的泊松比和剪切模量软化造成的。SnSe纳米片初始相的体积弹性模量与其体材料相近，这同样是由纳米片自身的特殊晶体结构所决定的。SnSe纳米片高压相的体积弹性模量也同样高于其体材料，这是由于SnSe纳米片的形貌在压力下发生了改变，而小尺寸SnSe纳米片具有很高的表面能所导致的。SnS和SnSe纳米片独特压致现象的成功发现，以及对产生这些新现象的原因进行合理解释，有助于深入了解金属硫化物片层状纳米结构的本质物理属性。本工作的意义不仅在于首次系统性地提出了有关金属硫化物纳米材料高压行为的相关信息，更在于为整个IV-VI族硫属化合物纳米材料的可控制备及其压致相变行为研究提供了新方法和新思路。