[发明专利]一种黑磷量子点的电化学制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种黑磷量子点的电化学制备方法，该方法利用电解质离子在黑磷晶体 上发生插层反应形成量子点分散液，属于纳米材料制备技术领域。

背景技术

二维纳米材料如石墨烯、过渡金属硫化物等，以其优异的物理和结构特性已经在电 子、传感和光电器件等多领域表现出非凡的应用潜力。其中，石墨烯作为最具代表性的 二维材料已经被广泛研究。它具有超高的载流子迁移率，但缺乏带隙却严重阻碍了石墨 烯在逻辑半导体器件如场效应晶体管中的应用。而作为过渡金属硫化物半导体家族的代 表成员，二硫化钼(MoS₂)具有明显的带隙，且在n-型晶体管中表现出优异的开关比 特性(>10⁸)。然而，MoS₂中结构缺陷存在可能会导致电子迁移率的降低，从而影响它 的电学性能。因此许多方法被尝试用来在石墨烯中引入带隙，比如将其切成纳米带，引 入缺陷和制作量子点。

近年来，具有单层或者少层黑磷原子层结构的黑磷烯，以其较高的的载流子迁移率 (200～1000cm²V^-1s^-1)、可调节的直接带隙、较大的开关比特性(10⁴～10⁵)和各向异性 等，逐渐成为最具潜力的适用于高性能电子和光电子器件的二维半导体材料。作为黑磷 烯的对应块体材料黑磷，是磷的同素异形体中最稳定的，并在1914年经由白磷在高温 高压下转换而被首次制得。和石墨类似，黑磷的原子层间也是通过微弱的层间作用力而 相互堆叠，并且这种作用力具有范德华力特征，最近的报告证实基于黑磷纳米片的电子 器件相比于基于石墨烯的电子器件有更好的表现。进一步，黑磷量子点也被制备出来， 并用于阻变存储器和热电转换器件。然后目前黑磷量子点的制备仍然采用超声制备的方 法，耗时耗能，产率低，且难以控制量子点的尺寸。为此，开发一种可以对量子点尺寸 加以控制且简单易行的制备方法对扩宽黑磷在电子、光电器件以及光学等诸多领域的工 业级应用具有重要价值。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种黑磷量子点的电化学 制备方法，利用电解质离子在黑磷晶体上发生层间插入反应导致黑磷量子点脱落，可实 现黑磷量子点的简单、快速制备，具有低成本、规模化制备的潜能。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种黑磷量子点的电化学制备方法，采用电化学插层方法在有机溶剂中分解黑磷晶 体以得到黑磷量子点，具体实现方法为：首先，将黑磷晶体用导电胶固定在金属棒上作 为工作电极，以铂电极作为对电极，将工作电极和对电极置于含有电解质的有机溶剂中； 然后，将工作电极和对电极分别连接到直流电源的正极和负极，施加设定范围的电压， 电解质离子迁移到黑磷晶体并发生电化学插层反应，使得黑磷量子点从黑磷晶体上脱落 至有机溶剂中，得到黑磷量子点分散液。

该方法具体包括如下步骤：

(1)将黑磷晶体用导电胶固定在金属棒上作为工作电极，以铂电极作为对电极， 将工作电极和对电极置于含有电解质的有机溶剂中；有机溶剂的温度保持在10～35℃范 围内，有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，电解质为0.1～2M的氯化锂；

(2)将工作电极和对电极分别连接到直流电源的正极和负极，施加5～15V的电压， 电解质离子迁移到黑磷晶体并发生电化学插层反应，使得黑磷量子点从黑磷晶体上脱落 至有机溶剂中，得到黑磷量子点分散液；

(3)将黑磷量子点分散液在转速为1500rpm条件下离心分离，取其稳定的上层清 液，即可得到直径为2～20nm的黑磷量子点。

有益效果：本发明提供的黑磷量子点的电化学制备方法，利用电解质离子在黑磷晶 体上发生层间插入反应导致黑磷量子点脱落的方法可实现黑磷量子点的简单、快速制备， 具有低成本、规模化制备的潜能。该制备方法利用理想环境下的两电极电化学体系，电 解质离子在两电极间的电压的驱动到下迁移到黑磷晶体上，并发生层间插入反应从而使 得黑磷量子点连续脱落；这一基于电化学离子层间插入原理的方法可进一步放大到工业 化规模化生产，因而具有高度的扩展性和广泛的应用性。和现有的黑磷量子点剥离方法 相比，这种剥离技术不仅可避免液相超声剥离过程中超声波能量效率不足、剥离时间冗 长的问题；更重要的是，利用电化学剥离技术所制得的黑磷量子点，具有较统一的尺寸。