[发明专利]利用超临界流体制备二维原子晶体新材料的方法

说明书

技术领域

本发明属于先进功能材料制备技术领域，尤其是涉及一种利用超临界流体制备二维原子晶体新材料的方法，包括制备六方氮化硼BN薄膜、MoS₂薄膜、WS₂薄膜以及其他层状结构材料相应薄膜。

背景技术

单原子层材料石墨烯的发现，打破了单原子层石墨不能单独稳定存在的传统理论估计；石墨烯更以其完美的二维单原子层，独特的光学特性，超强的力学韧性，卓越的电学性能征服了追求完美的物理学工作者；多中心大π键的结构特征使其具有与各式基团、官能团键合的可能，因而决定了其极其丰富的化学特性，成为化学工作者青睐的明星；集众多优点于一身的石墨烯因此具有极其广泛、极其深刻的应用前景，在医药、能源、电子、材料等诸多领域大显身手，引领先进生产力的革新方向。

与石墨类似，BN、MoS₂、WS₂、MoSe₂、NbSe₂、TaSe₂、Bi₂Te₃等材料同样具有层状结构，与石墨烯相对应的二维平面原子晶体薄膜具有良好的透光性质和坚韧的力学性能，各种类型薄膜同样具备各自的电学、光学、热学、磁学特异性能，在各领域之中，与石墨烯互补并更胜石墨烯，具有重要的科学价值及广泛应用前景。目前，国际上关于二维原子晶体材料制备、性质表征及功能应用的科学研究凤毛麟角，鲜有报道。因首次成功制备石墨烯而获得诺贝尔奖的Novoselov和Geim，也仅能利用微机械法的对极个别的层状材料原料进行极其微量、低效的的剥离；截止至2011年，仅有爱尔兰人Jonathan N.Coleman在Science杂志发表一篇关于利用液体剥离技术制备二维平面原子晶体薄膜的文章，液体解离缺点在于其生产周期长，反应条件苛刻，工艺繁琐复杂。世界范围内，氮化硼薄膜的研究尚处于起步阶段，其制备手段较为单一，除了诺贝尔奖得主所用微机械剥离法外，见诸报道的只有化学合成和化学气相沉淀等几种方法，从产品质量、制备工艺、经济成本等多方面考虑，尚不能达到石墨烯同样质量标准，更无法推广进行规模化生产。对于二硫化钼薄膜的研究，仅有瑞士的B.Radisavljevic在Nature Nanotechnology提供了一个单层二硫化钼薄膜应用于新型晶体管微电子器件的研究案例。二维原子晶体是与石墨烯结构类似的一类新型材料，本发明提供了一种利用超临界二氧化碳剥离制备二维原子晶体薄膜的普适方法，其高产率、高效率、高质量、低成本、无污染的特点，为本方法应用于工业化、产业化的提供了极大保障和技术支撑。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种利用超临界流体制备二维原子晶体新材料的方法，从而能够得到与石墨烯具备相同或相似结构的全新二维原子晶体材料。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

利用超临界流体制备二维原子晶体新材料的方法，该方法采用超临界CO₂为剥离剂，包括以下步骤：

(1)将层状结构原料粉末加入高压反应釜内；

(2)待高压釜内的温度达到预设值后，将CO₂泵入高压釜内，待高压釜内压力达到预设值后，体系达到超临界态，开始循环流动CO₂；

(3)对高压釜内的超临界体系施加超声波振荡；

(4)待到达预定处理时间后，快速降压，使釜内压力降至常压；

(5)重复上述(2)(3)(4)步骤，使釜内样品经历多次升压和降压过程，通过调节升压和降压速率及次数和超声功率密度及超声时间来控制二维原子晶体薄膜层数和尺度。

步骤(1)中所述的层状结构原料粉末包括六方氮化硼BN、MoS₂、WS₂、MoSe₂、NbSe₂、TaSe₂、Bi₂Te₃。

步骤(2)中所述的高压釜内的预设温度为40～80℃，高压釜内的预设压力为8～25MPa。

步骤(3)中所述的超声波振荡的超声功率密度为6W/L～500W/L，超声时间为5min～180min。

步骤(4)中所述的预定处理时间为20～300分钟。

步骤(4)中所述的快速降压的降压速率为0.001atm/s～1atm/s。

步骤(5)中所述的釜内样品经过的升压和降压次数为1～20次。