[發明專利]一種二維納米片及其制備方法

在審

• 申請號: 202010061394.7
• 申請日: 2020-01-19
• 公開（公告）號: CN111196611A
• 公開（公告）日: 2020-05-26
• 發明（設計）人: 張勇;梁程;王衛彪;陳哲學
• 申請（專利權）人: 國家納米科學中心
• 主分類號: C01G39/06
• 分類號: C01G39/06;C01G41/00;C01B32/19;C01B21/064;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司 11332
• 代理人: 鞏克棟

本發明提供一種二維納米片及其制備方法，所述制備方法包括如下步驟：(1)將本體層狀材料、助磨材料和球磨球混合并進行球磨，得到球磨粗產物；(2)將步驟(1)得到的球磨粗產物與初分散溶劑混合、超聲分散，得到二維納米片分散液；(3)將步驟(2)得到的二維納米片分散液進行液相級聯離心、固液分離，得到的固相為二維納米片I；(4)將步驟(3)所述固液分離得到的液相進行過濾，未通過濾膜的固相為二維納米片II，通過濾膜的液相為二維量子片分散液；(5)將步驟(4)得到的二維量子片分散液、共溶劑和不良溶劑混合，固液分離，得到的固相為二維納米片III。所述制備方法能夠得到尺寸范圍大、分布單一且產率高的二維納米片。

技術領域

本發明屬于納米材料技術領域，具體涉及一種二維納米片及其制備方法。

背景技術

2004年，英國曼徹斯特大學的Andre Geim和Konstantin Novoselov通過微機械剝離的方法從石墨中剝離出單原子層的石墨烯，打破了此前認為的嚴格意義上的二維晶體不可能單獨存在的推論，從此二維層狀材料開始成為材料研究領域的熱門方向，二人也因為這項開創性的工作榮獲了2010年諾貝爾物理學獎。十多年來研究者對石墨烯進行了各方面的研究及應用探索，發現其具有優秀的力學、熱學、光學、電子效應等性能，在材料學、電子學、能源、生物醫學和藥物傳遞等方面具有重要的應用前景；特別在凝聚態物理領域，雙層石墨烯之間以“神奇角度”存在時表現出了非常規超導電現象，極大推動了人類實現超導的進程。石墨烯的優異性能很大程度上歸因于其特殊的二維結構。二維材料是指厚度為幾納米或更小的由單層原子組成的結晶材料，二維材料中的電子可以在二維平面中自由移動，而在第三方向上的運動受量子力學的限制。近年來隨著硅晶體管越做越小，硅晶體管正接近它的物理極限；基于塊體(三維)半導體的晶體管、包括由鍺、砷鎵銦和磷化銦制成的晶體管，都面臨電子一般難以在納米厚度的溝道內遷移的問題，溝道表面的缺陷也會導致電荷散射，減慢電子流動速度；單原子層的二維材料有望使晶體管進一步縮小，從而釋放下一代計算機的潛力。由于它們的“垂直”維度有限，且表面平整沒有缺陷，因而電子不易發生散射，電荷也能相對自由地在其中流動。前景可觀的材料包括具有與石墨烯相似二維層狀材料的過渡金屬硫化物。因此對于二維納米材料的研究極具重要性。

二維材料的獨特性能、特殊結構和龐大的潛在市場吸引了許多科學家對探索新的二維層狀材料的興趣。繼石墨烯之后，具有全方位優異性能的二硫化鉬成為了第二種最受歡迎的二維材料，同時被譽為電子設備新候選材料的黑磷，可以實現開關效果的二碲化鎢層，以及六方氮化硼(h-BN)、二硫化鎢、過渡金屬氧化物(TMOs)以及MXenes等二維材料相繼進入人們的視線，極大地豐富了二維材料的大家族。但是，目前對于二維材料的研究尚處于初級階段，要滿足實用設備的工業級就需求首先解決材料制備的挑戰。由于二維材料的缺陷和晶界會影響電荷流動，因此精確控制二維材料的質量非常重要。

目前制備二維納米片層的方法主要分為兩種，首選方法是通過真空室的原子沉積；另一種方法是通過本體材料剝離，包括機械剝離和液相剝離。前者制備的樣品厚度和尺寸可控，材料質量高，但得到的產物數量過少，成本較高，難以實現實際設備規模生產；而后者可以實現大規模制備，成本較低，質量上同樣也能實現本征無缺陷，然而制備的體系中尺寸分布不夠均勻，需要進行尺寸篩選，但目前仍然缺少一種高效、可行的策略進行篩選。此外，對于二維材料的尺寸，人們一方面致力于拓展二維材料的橫向尺寸，以充分發揮二維材料的結構和性能優勢；另一方面，人們也不斷嘗試減小二維材料的橫向尺寸，以逐漸顯露二維材料的邊緣和量子效應，由此可見不同尺寸的二維材料的性能具有很大的差異。例如：基于石墨烯的器件，材料尺寸100nm的納米片，表現為傳統的單電子晶體管，表現周期性的庫侖阻塞峰；材料尺寸＜100nm的量子點，峰型表現為強的非周期性，表現出量子限域效應的主要特征；由此可見，二維材料的納米片-量子片同樣引起了廣泛關注。