[發明專利]通過化學切割預制的納米粒子形成2D薄片和使用相同方法制備的范德瓦爾斯異質結構設備

有效

• 申請號: 201780052858.4
• 申請日: 2017-06-28
• 公開（公告）號: CN109641188B
• 公開（公告）日: 2022-07-05
• 發明（設計）人: 奈杰爾·皮克特;史蒂文·丹尼爾斯;翁布雷塔·馬薩拉
• 申請（專利權）人: 納米技術有限公司
• 主分類號: B01J13/00
• 分類號: B01J13/00
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 李新紅

一種合成二維(2D)納米薄片的方法，包括切割預制納米粒子。該方法對2D納米薄片的形狀、尺寸和組成具有高的控制，并且能用于大量生產具有一致性質的材料。范德瓦爾斯異質結構設備通過制作納米粒子，化學切割納米粒子以形成納米薄片，在溶劑中分散納米薄片以形成墨，和沉積墨以形成薄膜而制備。

相關申請的交叉引用：本申請是2016年7月28日遞交的美國臨時申請序列號62/355,428和2017年2月21號遞交的美國臨時申請序列號62/461,613的正式申請，其全部內容通過引用并入本文。

關于聯邦政府資助的研究或開發的聲明：不適用

技術領域

本發明通常涉及二維(2D)材料的合成。更具體地，其涉及包括切割預制的納米粒子的合成方法，和使用通過化學切割預制的納米粒子形成的2D薄片的范德瓦爾斯異質結構設備。

包括37CFR1.97和1.98條公開的信息相關領域的說明

經由石墨的機械剝脫法的石墨烯分離【K.S.Novoselov，A.K.Geim，S.V.Morozov，D.Jiang，Y.Zhang，S.V.Dubnos，I.V.Grigorieva和A.A.Firsov，Science，2004，306，666】引起了對二維(2D)分層材料的強烈興趣。石墨烯的性質包括優越的強度以及高的導電性和導熱性同時輕量、有彈性和透明。這就造成了廣泛的潛在應用的可能性，包括高速晶體管和傳感器、阻隔材料、太陽能電池、電池和復合材料。

受關注的2D材料的其他類別包括過渡金屬二硫化物(transition metaldichalcogenide，TMDC)材料、六方氮化硼(h-BN)和基于14族元素的那些，例如硅烯和鍺烯。這些材料的性質的范圍從半金屬(例如NiTe₂和VSe₂)到半導性(例如WSe₂和MoS₂)到絕緣(例如h-BN)。

TMDC材料的2D納米片在從催化到傳感、儲能和光電設備的應用上受到越來越多的關注。單層和幾層TMDC是直接帶隙半導體，取決于組成、結構和維度方面，帶隙和載體類型(n-或p-型)會變化。

在2D TMDC中，半導體WSe₂和MoS₂受到特別關注，因為雖然它們的總體性質得以保存，但是因為材料的尺寸被減小到單層或幾層時的量子限制效應出現了另外的性質。至于WSe₂和MoS₂，當厚度減小到獨個單層，這些包括展現出直接-到直接帶隙過渡，其具有較強的激子效應。這就導致光致發光效率的極大增強，造成在光電設備中應用這種材料的新機遇。并且，當材料的橫向尺寸被減小到納米級，它們會經歷“尺度量子化”的效應，由此該材料的化學性質可通過改變材料的整體尺寸而簡單地被控制。其他受關注的材料包括WS₂和MoSe₂。

4到7族的TMDC大多數在分層結構中結晶，導致它們的電學、化學、機械和熱學性質的各向異性。每層包括經由共價鍵夾入硫族元素原子的兩層之間的金屬原子的六角形填充層。相鄰層通過范德瓦爾斯相互作用而減弱，它能容易地通過機械或化學方法被破壞以生成單層和幾層結構。

2D h-BN的晶格結構與石墨烯的類似。歸因于其絕緣性質，h-BN的潛在應用包括在氧化環境和絕緣復合材料中高溫下操作設備。h-BN的另一個用途是電絕緣基質，其可完美地與石墨烯的晶格配合。

最近，人們調查了硅(硅烯)、鍺(鍺烯)和錫(錫烯)的石墨烯類似物。硅烯的潛在優勢中的一個是其與現有硅技術的兼容性，使得其被應用在存在的電路和設備而不需另外的處理步驟。鍺烯在場效應晶體管具有潛在應用，同時理論研究表明錫烯能用于納米電子學中。

對于高性能的應用，需要扁平、無缺陷的材料，但是在電池和超級電容器的應用中，需要缺陷、空洞和空腔。