高效可重现的SbI3声化学合成及其薄膜制备

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0003

摘要/Abstract

摘要： 二维金属卤化物近年来成为研究热点，其中三碘化锑（SbI₃）因具有光学各向异性、较高的折射率、二次谐波等特性被用于辐射探测器和光电器件。但SbI₃价格昂贵，限制了其大规模应用。本文以锑粉和碘粉为原料，首次采用声化学方法合成了SbI₃，并研究了超声时间、反应溶剂、Sb物质的量及锑碘摩尔比对产物的影响，并以此粉体为原料制得SbI₃晶体和薄膜。结果表明，当溶剂为甲醇，锑碘摩尔比n（Sb）∶n（I₂）=2∶3.6（碘过量20%），超声时间为100 min时，得到纯相SbI₃粉体。采用升华法在温度为220 ℃，反应时间为3 h时得到（006）高取向的SbI₃晶体。采用气相输运沉积方法制备SbI₃薄膜时，沉积距离对薄膜形貌有较大影响。沉积距离增大使薄膜致密性提高，但沉积区温度降低导致薄膜晶化变差，因此要选择合适的沉积距离。此处，沉积距离为17.5 cm时获得了致密均匀的SbI₃薄膜。该声化学合成SbI₃的方法简单高效，成本低，重现性好，并可拓展应用于AgI、CuI、BiI₃和Cs₃Bi₂I₉等金属碘化物的合成。

关键词: 三碘化锑; 半导体光电材料; 声化学合成; 升华; 气相输运沉积

Abstract: Two-dimensional （2D） metal halides have attracted increasing research attention in recent years. Antimony triiodide （SbI₃） is used in radiation detectors and optoelectronic devices due to its optical anisotropy， high refractive index， and second harmonic generation. However， the high price of SbI₃ limits its large-scale application. In this paper， SbI₃ was synthesized by the sonochemical method using antimony powder and iodine powder as raw materials for the first time. The effects of ultrasound time， solvent， Sb content， and antimony-iodine ratio were studied and finally SbI₃ crystals and films were prepared successfully from the synthesized powder. The results show that the SbI₃ powder with pure phase is obtained using methanol as the solvent， with a Sb to I₂ molar ratio of 2∶3.6 （a 20% molar excess of iodine） and the ultrasonic time of 100 min. A highly oriented SbI₃ crystal along the （006） plane is obtained by the sublimation method at 220 ℃ for 3 h. When preparing SbI₃ film by vapor transport deposition method， the deposition distance has a great influence on the morphology of the film. Increasing the deposition distance improves the density of the film， but the crystallization degree of the film decreases due to the decrease in temperature. Therefore， it is necessary to choose an appropriate deposition distance. Here， a dense and uniform SbI₃ film can be obtained at a deposition distance of 17.5 cm. The method of sonochemical synthesis of SbI₃ is simple， efficient， low cost， reproducible， and can be extended to the synthesis of other metal iodides such as AgI， CuI， BiI₃， Cs₃Bi₂I₉ and so on.

Key words: SbI₃; photoelectric materials of semiconductor; sonochemical synthesis; sublimation; vapor transport deposition

中图分类号:

O484

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图/表 9

图1 SbI3粉体合成示意图

Fig.1 Schematic graph of the synthesis of SbI3 powder

图2 SbI3晶体（a）及SbI3薄膜（b）制备示意图

Fig.2 Schematic diagram of the synthesis of SbI3 crystals （a） and SbI3 films （b）

图3 声化学制备的SbI3粉体样品XRD图谱。（a）不同超声时间（Sb的物质的量为2 mmol，n（Sb）∶n（I2）=2∶3.6）；（b）不同的n（Sb）∶n（I2）；（c）不同Sb物质的量（Sb-x代表Sb的物质的量为x mmol，n（Sb）∶n（I2）=2∶3.6）；（d）不同溶剂（nSb=2 mmol，n（Sb）∶n（I2）=2∶3.6）

Fig.3 XRD patterns of SbI3 powder prepared by sonochemical method. （a） Different ultrasound time （nSb=2 mmol， n（Sb）∶n（I2）=2∶3.6），（b） different ratio of n（Sb）∶n（I2），（c） different amount of Sb （Sb-x∶nSb=x mmol， n（Sb）∶n（I2） = 2∶3.6）；（d） different solvents （nSb=2 mmol， n（Sb）∶n（I2）=2∶3.6）

图4 商品Sb粉和制备的SbI3粉体SEM照片。（a）商品Sb粉体的SEM照片；（b）~（e）不同超声时间（40、60、80和100 min）下制备的SbI3粉体SEM照片；（f）n（Sb）∶n（I2）=2∶3.6的SbI3粉体的SEM照片

Fig.4 SEM images of commercial Sb powder and prepared SbI3 powder. （a） SEM image of commercial Sb powder；（b）~（e） SEM images of SbI3 powder prepared with different ultrasound time 40， 60， 80 and 100 min）；（f） SEM image of SbI3 powder （n（Sb）∶n（I2）=2∶3.6）

图5 不同Sb物质的量下制备的SbI3粉体SEM照片（Sb-x代表Sb的物质的量为x mmol，n（Sb）∶n（I2） =2∶3.6）

Fig.5 SEM images of SbI3 powder prepared with different Sb content （Sb-x represents the amount of Sb is x mmol， n（Sb）∶n（I2）=2∶3.6）

图6 升华法得到SbI3晶体的XRD图谱（a）、光学显微图（b）与SEM照片（c）

Fig.6 XRD patterns （a）， optical micrograph （b） and SEM image （c） of SbI3 crystals prepared by sublimation method

图7 不同沉积距离条件下制备的SbI3薄膜XRD图谱（插图为薄膜照片）（a），以及SbI3薄膜的相稳定性（大气氛围）（b）

Fig.7 XRD patterns of SbI3 films prepared at different deposition distance （the inset is photograph of film）（a） and phase stability of SbI3 films （air atmosphere）（b）

图8 不同沉积距离时制备的SbI3薄膜SEM照片

Fig.8 SEM images of SbI3 films prepared at different deposition distance

图9 声化学法合成的系列样品的XRD图谱

Fig.9 XRD patterns of a series of samples prepared by sonochemical method

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Highly Efficient and Reproducible Sonochemical Synthesis of SbI₃ and Its Films

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