[發明專利]使用納米粒子模板的2D納米片的模板輔助合成

有效

• 申請號: 201780081226.0
• 申請日: 2017-12-15
• 公開（公告）號: CN110312573B
• 公開（公告）日: 2022-08-23
• 發明（設計）人: 史蒂文·丹尼爾斯;奈杰爾·L·皮克特
• 申請（專利權）人: 納米2D材料有限公司
• 主分類號: B01J27/02
• 分類號: B01J27/02;C01G39/00;C01G41/00;C01B19/00
• 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;王旭

本發明公開了一種用于合成2D納米片的模板輔助方法，所述方法包括在用作納米片生長模板的納米粒子基底表面上生長2D材料。然后可以從模板表面釋放2D納米片，例如通過化學插層和剝離，純化，并且可以重復使用模板。

相關申請的交叉引用：

本申請要求2016年12月30日提交的美國臨時申請系列號62/440,745的權益，其內容通過引用整體結合于此。

關于聯邦政府資助研究或開發的聲明：不適用

發明背景

1.發明領域

本發明總體上涉及納米粒子。更特別地，其涉及使用模板合成二維(2D)層狀材料(或“納米片”)。

2.包括根據37 CFR 1.97和1.98公開的信息的相關領域的描述。

通過機械剝離石墨的石墨烯的分離[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]已經引起了對二維(2D)層狀材料的強烈興趣。石墨烯的性質包括優異的強度以及高的導電性和導熱性，同時重量輕、柔韌并且透明。這提供了一系列潛在應用的可能性，包括高速晶體管和傳感器、阻隔材料、太陽能電池、蓄電池和復合材料。

其他種類的令人感興趣2D材料包括過渡金屬二硫屬化物(transition metaldichalcogenide，TMDC)材料，六方氮化硼(h-BN)，以及基于第14族元素的那些，諸如硅烯(silicene)和鍺烯(germanene)。這些材料的性質的范圍可以從半金屬，例如NiTe₂和VSe₂，到半導體，例如WSe₂和MoS₂，到絕緣，例如h-BN。

對于范圍從催化到傳感、儲能和光電設備的應用來說，TMDC材料的2D納米片越來越令人感興趣。

TMDC單層是MX₂型的原子厚度半導體，其中M是過渡金屬原子(Mo、W等)并且X是硫屬元素原子(S、Se或Te)。單層的M原子夾在兩層X原子之間。MoS₂單層的厚度為在2DTMDC中，半導體WSe₂和MoS₂是特別令人感興趣的，因為當材料的大小減小到單層或少層(few-layer)時，由于量子限制效應而產生另外的性質，同時在很大程度上保留了它們的本體性質。在WSe₂和MoS₂的情況下，這些包括當厚度減少到單個單層時展現出間接到直接的帶隙躍遷，伴有強烈的激子效應。這導致光致發光效率的明顯增強，為這樣的材料在光電設備中的應用開辟了新的機會。其他令人感興趣的材料包括WS₂和MoSe₂。

石墨烯的發現說明了當宏觀尺寸的本體晶體(bulk crystal)減薄到一個原子層時，如何可以出現新的物理性質。與石墨一樣，TMDC本體晶體由通過范德華引力彼此結合的單層形成。TMDC單層具有與半金屬石墨烯明顯不同的性質。例如，TMDC單層MoS₂、WS₂、MoSe₂、WSe₂、MoTe₂具有直接帶隙，并且可以在電子設備中用作晶體管并且在光學器件中用作發射器和檢測器。第4族至第7族的TMDC主要以層狀結構結晶，導致在其電學、化學、機械和熱學性質方面的各向異性。每層都包括通過共價鍵夾在兩層硫屬元素原子之間的金屬原子的六方堆積層。相鄰的層通過范德華相互作用弱結合，其可以容易地通過機械或化學方法破壞以產生單層和少層結構。

TMDC單層晶體結構不具有反轉中心，這允許獲得新的電荷載子自由度，即k-能谷(k-valley)指數，并且開辟了新的物理學領域：“能谷電子學(valleytronics)”。