[發明專利]層結構非對稱的MXene及其衍生的異質結

有效

• 申請號: 201711251078.0
• 申請日: 2017-12-01
• 公開（公告）號: CN107968116B
• 公開（公告）日: 2020-12-29
• 發明（設計）人: 劉煥明;李白海
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H01L29/06
• 分類號: H01L29/06;H01L31/0352
• 代理公司: 成都虹盛匯泉專利代理有限公司 51268
• 代理人: 王偉

本發明公開了一種層結構非對稱的MXene(簡稱aMXene)及其衍生的異質結。將具有層結構對稱性的MXene的頂或底鈍化官能團層中一層去掉后，即可得到具有強偶極矩的aMXene。選擇合適的單層過渡金屬二硫族化物(mTMDC)去鈍化aMXene的暴露一側，則使得aMXene衍生為aMXene/mTMDC異質結。本發明提供的aMXene/mTMDC異質結，異層間具有強的電位差，有助于二維結構間的電荷重新分配,進而實現對能帶結構、帶邊相對位置、載流子產生與變化的調控，從而賦予aMXene/TMDC異質結在電子學與化工應用方面的極大競爭力，使其在自旋電子學、電子/光電子、催化/光催化等領域方面具有良好的應用前景。

技術領域

本發明涉及材料設計技術領域，具體涉及一種層結構非對稱的二維材料MXene

(aMXene)及其衍生的異質結。

背景技術

隨著以石墨烯為例的原子厚度級的單層材料和以單層過渡金屬二硫族化物(通常指mTMDC)、單層氮化硼為例的分子厚度級的單層材料的發現和發展，人們在納米電子學、光電子學、高性能催化劑等領域取得了長足的進步。與廣為人知并有著豐富性質的mTMDC相比，單層MXene是一族新研發成功的二維材料，具有組分可調導致其電子結構可調范圍特寬和結構穩定的特點，從而有廣泛應用價值。

MXene是由以“鈍化官能團-金屬原子-{碳原子-金屬原子}_i-鈍化官能團”堆垛的一類二維分子級單層材料。穩定且能夠獨立存在的單層MXene的構建需要在高活性的金屬碳化物/氮化物層狀材料的兩個端面吸附可以充當電子受體的官能團。這些起鈍化作用的官能團(T-基團)，通常含一種或多種V、VI、VII主族元素，例如NH、NH₂、O、OH、S、SH、F、Cl中的一種或多種。因此，對于某種MXene而言，其堆垛形式為T{M(CM)_i}T,其中C可部份或全部被N取代。而至今為止實驗上已知的MXene中，金屬原子M可以為Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Au、Cd、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、La、Ce中的一種或多種。由于表面鈍化官能團以及層內金屬原子類型及組分均可調整，則可在不同的MXenes材料中獲得半導體特性、金屬特性，以及優異的光學特性、催化活性、磁性、親水性等，因此，MXenes在光電器件、自旋電子器件、超級電容器、包括鋰離子電池的化學電池、催化劑、潤滑劑等領域具有廣闊的應用前景。

而將兩種不同材料結合在一起所構建的異質結構，通常會具有一些由兩種組分材料協同作用產生的性質。比如，通過這種方式得到的mTMDC/石墨烯、石墨烯/mTMDC/石墨烯，mTMDC/立方氮化硼、mTMDC/立方氮化硼/石墨烯、黑磷/mTMDC等奇異質雙層在電子學/光電子學、自旋電子器件、儲能器件和催化劑等工業領域已取得較大的進展，受到了人們極大的關注。隨著對MXenes的研究的興起，包含有MXenes的雙層異質結構也迅速進入人們的視野，比如Sc₂CF₂/硅烯，OTiCTi₂/MoS₂，OScCSc₂/Sc₂CF₂體系等，在場效應晶體管、光催化分解水等領域展現出了巨大的潛力。但MXene的基本層結構TMCMT具層對稱性而且不具偶極矩。而電子元器件的制備與發展，需要異質結層界面處具有強電位差。但滿足該要求的異質結非常有限，因此，如何跨越這局限性是當務之急。

發明內容

本發明的實施方式在于提供一種具有層非對稱結構的新型二維材料MXene(asymmetric MXene或aMXene)及其衍生異質結。