水熱合成的Ag2Te納米線的電學性能研究

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，是具有良好的結晶性的并且是具備高純度的納米結構，其直徑約為200nm，長度可達到數十微米。更重要的是，首次研究了單根Ag2Te納米線的相關電學性能。經過在位電場組裝和伏安法測量，發現在常溫下樣品的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曲線伴隨相轉變的發生，電流也出現巨大變化。這些試驗結論為將來進一步研究納米結構器件的電輸運性能打下良好基礎。

【關鍵詞】納米線；結晶性；電學性質；納米結構器件

0 引言

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

根據之前的文獻報道，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[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[8]，但是通過這種方法獲得的樣品的化學計量比、結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納米線的導電性能進行測試。首先采用在位電場組裝[10]的方法構筑單根碲化銀納米結構器件，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，碲化銀樣品會出現相變，在相轉變溫度附近，測試其導電性能的變化并分析實驗結果。相信通過對單根碲化銀納米線的導電性質的首次研究，會為今后我們進一步開展對一維納米材料的電學性能研究提供理論支持，同時也為將來的納米器件[11]的應用提供了非常有力的依據。

1 實驗步驟

（1）準備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移到容量為30mL的高壓反應釜中，然后放到已經加熱好的真空干燥箱中并且保持24 小時。（4）反應結束后將反應釜取出，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，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，而且是結晶良好的超長納米線，其長度達到了數十微米，樣品直徑約為200nm。圖1（b）是碲化銀納米線的XRD譜圖，相應的米勒指數和衍射峰分別標注在圖中。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電極發生接觸，這樣就構成了金屬-半導體-金屬（M-S-M）結構。在兩點式探針接觸裝置中，由于低溫下的碲化銀半導體呈現單斜相即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，這種導電特點符合室溫下半導體的參數特性，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），是低熱導率的窄帶半導體，具有高電子遷移率和良好的半導體性質。而當樣品加熱到100℃左右的時候，其電流值開始發生緩慢的減小，說明碲化銀樣品開始由單斜晶相（β-Ag2Te）向面心立方相（α-Ag2Te）轉變[5，12]。隨著溫度繼續升高，我們會發現電流突然發生了突變，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） 徹底地轉變成高溫面心立方相（α-Ag2Te）。隨著相變的發生，樣品導電性下降了兩個數量級，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離子構成面心立方晶格結構自由的移動。在測試中我們發現了巨大的電流變化趨勢，這是非常有趣的現象，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。

3 總結

本文運用水熱方法制備了高純度，結晶性良好的一維碲化銀納米線。通過各種微納米設備，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，出現的電流突變表明了在單根碲化銀納米線中發生了從單斜相到面心立方相的相轉變，并且在高溫相時，碲化銀表現出良好的超離子導電性。基于以上結論，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用，重要的是，這一實驗結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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[責任編輯：朱麗娜]