专利摘要

本实用新型公开了一种二维MXene功能化的InxGa1‑xN纳米柱。该二维MXene功能化的InxGa1‑xN纳米柱包括衬底、衬底上的MXene层、生长在MXene层上的InxGa1‑xN纳米柱；其中0≤x≤1。本实用新型采用二维MXene作为衬底与InxGa1‑xN纳米柱之间的功能层，不仅拓宽了衬底的选择范围，降低了成本；还有效降低了衬底与纳米柱之间的界面阻抗，有利于增强载流子输运性能，大幅度提高纳米柱的光电性能；同时避免了纳米柱在衬底上容易被刻蚀的缺点，提高其光电稳定性。总之，二维MXene功能化的InxGa1‑xN纳米柱在光电解水制氢、光电探测器、太阳能电池中具有重要应用前景。

权利要求

1.一种二维MXene功能化的InxGa1-xN纳米柱，其特征在于，包括衬底（1）、衬底（1）上的MXene层（2）、生长在MXene层（2）上的InxGa1-xN纳米柱（3）；其中0≤x≤1。

2.根据权利要求1所述的一种二维MXene功能化的InxGa1-xN纳米柱，其特征在于，所述衬底为Si或FTO衬底。

3.根据权利要求1所述的一种二维MXene功能化的InxGa1-xN纳米柱，其特征在于，所述MXene为Ti3C2、V2C、Ta4C3、MoC3、Ti3CN中的一种。

4.根据权利要求1所述的一种二维MXene功能化的InxGa1-xN纳米柱，其特征在于，所述衬底上的MXene层厚度为3nm~200nm。

5.根据权利要求1所述的一种二维MXene功能化的InxGa1-xN纳米柱，其特征在于，所述生长在MXene层上的InxGa1-xN纳米柱为GaN纳米柱、InGaN纳米柱、InN纳米柱、InGaN/GaN核/壳结构纳米柱、InN/InGaN核/壳结构纳米柱中的一种。

6.根据权利要求1所述的一种二维MXene功能化的InxGa1-xN纳米柱，其特征在于，所述生长在MXene层上的InxGa1-xN纳米柱的高度为50~2000 nm。

7.根据权利要求1所述的一种二维MXene功能化的InxGa1-xN纳米柱，其特征在于，所述生长在MXene层上的InxGa1-xN纳米柱的直径为15~500 nm。

说明书

技术领域

本实用新型涉及InxGa1-xN纳米柱、能源与催化领域，特别涉及一种二维MXene功能化的InxGa1-xN纳米柱。

背景技术

光电化学(Photoelectrochemical，PEC)分解水制氢能够将太阳能有效地转换和存储为清洁的、可再生的氢能，是解决目前的能源危机最为有前景的手段之一。

近年来，三元化合物半导体InxGa1-xN纳米柱在PEC分解水中具有重要的应用前景，主要由于InxGa1-xN带隙从0.68eV到3.4eV可调，可实现宽光谱范围内的光电解水；另外InxGa1-xN电子迁移率大，导电性强，能有效降低光解水的成本；其次，InxGa1-xN纳米柱自身比表面积大，能增强光吸收，能提供更多的反应活性位点。然而，InxGa1-xN纳米柱生长主要基于蓝宝石、单晶Si衬底。而它们往往存在着电阻率较大(蓝宝石1014Ω·cm，掺杂Si～10Ω·cm)、成本高等问题。另外比如单晶Si作为衬底时，生长的InxGa1-xN纳米柱与Si衬底之间会形成SiNx绝缘层。该绝缘层不仅会增大载流子输运电阻；同时当InxGa1-xN纳米柱电极在电解质中进行光电解水，该绝缘层容易被刻蚀掉，使得InxGa1-xN纳米柱会发生严重的光腐蚀，造成光电性能显著降低。目前，主要采用功函数较大的金属层来降低界面阻抗，然而该金属层往往会带来表面态，引起载流子的复合[Ebaid M,Min J W,Zhao C,et al.Watersplitting to hydrogen over epitaxially grown InGaN nanowires on a metallictitanium/silicon template:reduced interfacial transfer resistance andimproved stability to hydrogen[J].Journal of Materials Chemistry A,2018,6(16):6922-6930.]。因此寻找一种能降低衬底界面电阻、提高 InxGa1-xN纳米柱光电极光电性能稳定性，对InxGa1-xN纳米柱光电解水制氢意义重大。

自2011年首次发现了MXene(Ti3C2)材料，MXene作为一种新型过渡金属碳化物或氮化物被广泛应用在能源存储、转换等多个领域。MXene化学式为 Mn+1XnT,(n＝1、2、3，M为过渡金属元素，X为碳或氮元素，T为-OH、-F、-O 等活性官能团)。该材料主要通过酸性刻蚀层状陶瓷材料MAX相获得，具有优异的电化学与化学反应性。同时，该材料为二维晶体结构，表面富含活性官能团，是实现新结构、高性能纳米催化剂的优良载体。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对现有技术的不足，提供一种MXene功能化的 InxGa1-xN纳米柱及其制备方法与应用。二维MXene有效降低了纳米柱与衬底表面之间的较大阻抗，能显著提高InxGa1-xN纳米柱的光电转换效率，同时使用稳定性增强；另外，该制备方法克服了衬底的单一选择性，降低成本、工艺简单，能耗低，省时高效。

本实用新型的目的通过以下技术方案实现。

一种二维MXene功能化的InxGa1-xN纳米柱，包括衬底、衬底上的MXene 层、生长在MXene层上的InxGa1-xN纳米柱；其中0≤x≤1，将满足InxGa1-xN 纳米柱；其中0≤x≤1的材料定义为InxGa1-xN纳米柱。

进一步地，所述衬底为Si或FTO衬底。

进一步地，所述MXene为Ti3C2、V2C、Ta4C3、MoC3、Ti3CN等二维过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物其中一种或两种。

进一步地，所述衬底上的MXene层厚度为3nm～200nm。

进一步地，所述生长在MXene层上的InxGa1-xN纳米柱包括GaN纳米柱、 InGaN纳米柱、InN纳米柱、InGaN/GaN核/壳结构纳米柱、InN/InGaN核/壳结构纳米柱中的一种或多种。

进一步地，所述生长在MXene层上的InxGa1-xN纳米柱的高度为50～2000nm, 直径为15～500nm。

以上所述的一种二维MXene功能化的InxGa1-xN纳米柱的制备方法，包括以下步骤：

(1)衬底上的MXene层的制备：采用提拉浸渍法、旋涂法或喷涂法在衬底上镀MXene膜，干燥后放入分子束外延(MBE)反应室中，在700～900℃下对MXene膜进行退火处理，以获得洁净的表面，得衬底/MXene；

(2)MXene层上的InxGa1-xN纳米柱的生长：采用分子束外延生长工艺，控制步骤(2)所得衬底/MXene的温度为450～980℃，衬底/MXene转速为5～10 r/min，Ga束流等效压强为1.0×10-8～1.5×10-7Torr，In束流等效压强为 1.0×10-8～5×10-7Torr，氮气流量为1～5sccm，等离子体源功率为200～400W，生长时间为1～5h，在步骤(2)所得衬底/MXene层上生长InxGa1-xN纳米柱。

进一步地，步骤(1)所述衬底在镀MXene膜前进行表面处理，包括先进行等离子处理或酸碱性溶液刻蚀，然后用超纯水进行超声清洗，再用高纯氮气吹干；所述等离子处理的时间10～30min；所述酸碱性溶液为BOE溶液或Piranha 溶液，刻蚀时间为1～5min。

进一步地，步骤(1)所述干燥为真空干燥，干燥温度为50～65℃，干燥时间10～30min；所述退火的时间为10～30min。

以上所述的一种二维MXene功能化的InxGa1-xN纳米柱在光电解水产氢、光电探测器、太阳能电池中的应用。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点和有益效果：

(1)本实用新型使用MXene作为InxGa1-xN纳米柱生长的介质层，可以扩大衬底的选择，避免了因选择了与InxGa1-xN晶格失配度大的导电性好、价格便宜的衬底材料而造成生长的纳米柱晶体质量差，降低了制备成本。

(2)本实用新型使用MXene作为InxGa1-xN纳米柱生长的介质层，生长出的纳米柱晶体质量大大提高，比表面积大，大幅降低了载流子非辐射复合的概率，增加了光吸收范围，并且增大了半导体/电解液的界面反应面积，从而使得 InxGa1-xN纳米柱光电转化效率大幅度提高。

(3)本实用新型使用MXene作为InxGa1-xN纳米柱生长的介质层，增加了光电极的导电性，增强了载流子输运机制。

(4)本实用新型使用MXene作为衬底与InxGa1-xN纳米柱之间的电子传输层，大大降低了衬底与纳米柱之间的阻抗，加快了衬底与纳米柱之间的电子转移速率，从而大大提高了InxGa1-xN纳米柱光电解水的光电转换效率。

(5)本实用新型一种二维MXene功能化的InxGa1-xN纳米柱，因衬底与纳米柱之间SiNx绝缘层的消除，催化剂表现出优异的化学稳定性，使得光电稳定性大大提高。

(6)InxGa1-xN纳米柱通过调节In组分，其带隙在0.67-3.4eV范围可调，可实现在可见光光谱范围内光电解水产氢，提高对太阳光的利用率。

(7)二维MXene功能化的InxGa1-xN纳米柱在应用于光电解水制氢时， InxGa1-xN纳米柱的纳米柱结构减小了光生载流子到半导体/电解质界面的迁移距离，降低了光生载流子的复合概率，更有利于光生电子、空穴分别去参加析氢、析氧反应。

(8)本实用新型使用二维MXene作为纳米柱与Si衬底之间的功能层，有利于体系中载流子的输运，不仅适用于光电催化，还适用于太阳能电池与光电探测器领域中。

附图说明

图1为实施例1中二维MXene功能化的InxGa1-xN纳米柱的截面示意图。

图2为实施例1中二维MXene功能化的InxGa1-xN纳米柱的SEM俯视图。

图3为实施例1中二维MXene功能化的InxGa1-xN纳米柱光阳极光电流与电压曲线图。

图4为实施例2中二维MXene功能化的InGaN纳米柱光电极光电流与电压曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例1

一种二维MXene功能化的InxGa1-xN纳米柱的制备方法，包括以下步骤：

(1)衬底的选择：采用Si衬底。

(2)衬底表面处理：采用Piranha溶液刻蚀步骤(1)中的衬底1min。然后用超纯水进行超声清洗，再用高纯氮气吹干。

(3)衬底上的MXene层制备：采用旋涂法将MXene(Ti3C2)溶液在步骤 (2)中的衬底上镀膜，然后在真空50℃下干燥30min，膜厚为3nm。最后将其放入分子束外延(MBE)反应室中，在700℃下对MXene进行退火处理30min，以获得洁净的表面。

(4)MXene层上的InxGa1-xN纳米柱的生长：采用分子束外延生长工艺，控制衬底温度为880℃，衬底转速为10r/min，Ga束流等效压强为3.5×10-8Torr， In束流等效压强为9.0×10-8Torr，氮气流量为2.0sccm，等离子体源功率为400W，生长时间为3h，在步骤(3)中衬底/MXene层上生长InGaN纳米柱，纳米柱的高度为300nm,直径为75nm,In/Ga比为25/75。

如图1所示，本实施例一种二维MXene功能化的InGaN纳米柱的截面示意图，包括Si衬底1，Si衬底1上的MXene层2，生长在MXene层2上的InGaN 纳米柱3。

如图2所示，本实施例一种二维MXene功能化的InGaN纳米柱的扫描电子显微镜俯视图。

将本实施例一种二维MXene功能化的InGaN纳米柱于光电解水产氢：本实施例制备的InGaN纳米柱制作成光电极，具体步骤如下：用电子束蒸发沉积金属层与Si背面形成欧姆接触，然后用金属导线与金属层连接，并用绝缘环氧树脂保护整个金属背面。最后，使用电化学工作站进行光电化学测试，具体如下：使用0.5mol/L H2SO4溶液作为电解液，所制备光电极作为阳极，饱和甘汞电极(SCE)作为参比电极，Pt线作为阴极，以及300W Xe灯(光强度～100mW/cm2) 作为光源，测试得到光电流密度-偏压曲线。本工艺制备得到的基于二维MXene 上InGaN纳米柱基光电极在1.0V vs.SCE偏压时，光电流密度为1mA/cm2，偏压光电转换效率(ABPE)为1.2％。

如图3所示，本实施例一种二维MXene功能化的InGaN纳米柱光电极光电流与电压曲线图。

实施例2

一种二维MXene功能化的GaN纳米柱的制备方法，包括以下步骤：

(1)衬底的选择：采用Si衬底。

(2)衬底表面处理：采用Piranha溶液刻蚀步骤(1)中的衬底5min。然后用超纯水进行超声清洗，再用高纯氮气吹干。

(3)衬底上的MXene层制备：采用旋涂法将MXene(Ti3C2)溶液在步骤 (2)中的衬底上镀膜，然后在真空65℃下干燥30min，膜厚为80nm。最后将其放入分子束外延(MBE)反应室中，在800℃下对MXene进行退火处理20min，以获得洁净的表面。

(4)MXene层上的GaN纳米柱的生长：采用分子束外延生长工艺，控制衬底温度为980℃，衬底转速为5r/min，Ga束流等效压强为1.5×10-7Torr，In 束流等效压强为1.0×10-8Torr，氮气流量为1.0sccm，等离子体源功率为200W，生长时间为5h，在步骤(3)中衬底/MXene层上生长GaN纳米柱，纳米柱的高度为150nm,直径为50nm。

将本实施例一种二维MXene功能化的GaN纳米柱用于光电解水产氢：本实施例制备的GaN纳米柱制作成光电极，具体步骤如下：用电子束蒸发沉积金属层与Si背面形成欧姆接触，然后用金属导线与金属层连接，并用绝缘环氧树脂保护整个金属背面。最后，使用电化学工作站进行光电化学测试，具体如下：使用0.5mol/L H2SO4溶液作为电解液，所制备光电极作为阳极，饱和甘汞电极 (SCE)作为参比电极，Pt线作为阴极，以及300W Xe灯(光强度～100mW/cm2) 作为光源，测试得到光电流密度-偏压曲线。本工艺制备得到的基于二维MXene上GaN纳米柱基光电极在1.0V vs.SCE偏压时，光电流密度为2.9mA/cm2，偏压光电转换效率(ABPE)为0.8％。

如图4所示为本实施例一种二维MXene功能化的InGaN纳米柱光电极光电流与电压曲线图。

实施例3

一种二维MXene功能化的InN纳米柱的制备方法，包括以下步骤：

(1)衬底的选择：采用Si。

(2)衬底表面处理：采用Piranha溶液刻蚀步骤(1)中的衬底2min。然后用超纯水进行超声清洗，再用高纯氮气吹干。

(3)衬底上的MXene层制备：采用旋涂法将MXene(Ti3C2)溶液在步骤 (2)中的衬底上镀膜，然后在真空65℃下干燥10min，膜厚为120nm。最后将其放入分子束外延(MBE)反应室中，在900℃下对MXene进行退火处理 10min，以获得洁净的表面，纳米柱的高度为1200nm,直径为80nm。

(4)MXene层上的InN纳米柱的生长：采用分子束外延生长工艺，控制衬底温度为450℃，衬底转速为10r/min，Ga束流等效压强为1.0×10-8Torr，In束流等效压强为5.0×10-7Torr，氮气流量为5.0sccm，等离子体源功率为400W，生长时间为1h，在步骤(3)中衬底/MXene层上生长InN纳米柱。

实施例4

一种二维MXene功能化的GN纳米柱的制备方法，包括以下步骤：

(1)衬底的选择：采用FTO衬底。

(2)衬底表面处理：采用Piranha溶液刻蚀步骤(1)中的衬底2min。然后用超纯水进行超声清洗，再用高纯氮气吹干。

(3)衬底上的MXene层制备：采用旋涂法将MXene(Ti3C2)溶液在步骤 (2)中的衬底上镀膜，然后在真空65℃下干燥30min，膜厚为80nm。最后将其放入分子束外延(MBE)反应室中，在800℃下对MXene进行退火处理20min，以获得洁净的表面。

(4)MXene层上的GaN纳米柱的生长：采用分子束外延生长工艺，控制衬底温度为980℃，衬底转速为5r/min，Ga束流等效压强为1.5×10-7Torr，In 束流等效压强为1.0×10-8Torr，氮气流量为1.0sccm，等离子体源功率为200W，生长时间为5h，在步骤(3)中衬底/MXene层上生长GaN纳米柱，纳米柱的高度为250nm,直径为65nm。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

一种二维MXene功能化的InxGa1-xN纳米柱专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。