[发明专利]石墨烯的纳米粒子修饰和穿孔

说明书

本文描述了石墨烯基材料的多层片，所述石墨烯基材料具有多个延伸穿过的孔隙。还提供了制备所述片的方法，并且所述方法包括将包含多层石墨烯的石墨烯基材料暴露于包含纳米粒子的粒子束，所述多层石墨烯具有2层至10层石墨烯，所述纳米粒子具有每个纳米粒子至少2keV的能量。

相关申请的交叉引用

本申请根据35U.S.C.§120要求2016年4月14日提交的第15/099,099号美国专利申请的优先权的权益；本申请根据35U.S.C.§119要求2015年8月6日提交的第62/202,122号美国临时专利申请的优先权的权益，所述专利申请和临时专利申请通过引用整体并入本文。

领域

本公开内容通常涉及石墨烯基材料及其他二维材料，并且更具体地，涉及在石墨烯、其他二维材料及其组合的层中产生孔隙的方法。

背景

由于石墨烯的有利的机械性质和电子性质，因此其已获得广泛的关注以用于多种应用中。石墨烯的导电性可以受到石墨烯上的化学官能化的数量和类型以及石墨烯基面中的缺陷数量的影响。虽然原始石墨烯通常显示出最高的电导率值，但是有时可以期望调整电导率并修饰能带结构。可以例如通过在石墨烯基面内引入多个缺陷(即，孔洞或穿孔)或增加此类缺陷的数目实现能带结构的调整。能带结构可以受到存在的孔洞的尺寸、类型和数目的影响。已提出的石墨烯的应用包括光学装置、机械结构和电子装置。除了上述应用之外，对于用于过滤应用的穿孔的石墨烯，特别是单层穿孔的石墨烯已有一些关注。目前用于对CVD石墨烯穿孔的技术包括氧化过程(例如，UV臭氧、等离子体氧化和高温)、离子束、模板切割和使用特定的生长基底直接合成。

具有几纳米或更小的厚度和延展的平面晶格，或者如果没有晶格则具有延展的平面的其他二维材料(也被称为2D材料)也引起关注以用于各种应用。在实施方案中，二维材料的厚度为0.3nm至1.2nm。在另一实施方案中，二维材料的厚度为0.3nm至3nm。例如，硫化钼是具有二维分子结构的代表性硫属化物(chalogenide)，并且其他各种硫属化物可以构成本公开内容中的二维材料。二维材料包括金属硫属化物(例如，过渡金属二硫属化物)、过渡金属氧化物、六方氮化硼、石墨烯、硅烯和锗烯(germanene)(参见：Xu等人，(2013)“Graphene-like Two-Dimensional Materials”Chemical Reviews 113:3766-3798)。

鉴于上述情况，允许以期望的孔隙密度和孔隙尺寸在石墨烯和其他二维材料中产生孔隙的技术将在本领域具有相当大的益处。本公开内容满足了这种需求并且也提供了相关的优势。

概述

本公开内容描述了在彼此堆叠的多个石墨烯片的基面中引入或修饰孔隙的方法。在实施方案中，该方法包括将约2层至10层的堆叠的石墨烯片(即，多层石墨烯)暴露于粒子束，所述粒子束包含具有约2keV或更大能量(每个纳米粒子或团簇)的纳米粒子(NP)或团簇以对堆叠的石墨烯片穿孔。在实施方案中，至少两个层独立地进行堆叠。如本文所用，在基底上层叠或堆叠的独立合成的片被称为“独立堆叠”。例如，纳米粒子为金属纳米粒子、碳纳米粒子、气体团簇和/或核壳结构纳米粒子。本文所述的方法还适用于其他多层2D材料和分层的2D材料的组合。

本公开内容还描述了包括将石墨烯基材料的片暴露于粒子束或团簇束的步骤的方法，所述石墨烯基材料包含多层石墨烯(具有2层至10层的石墨烯)，并且粒子束包含如本文所述的纳米粒子或团簇。在另外的实施方案中，多层石墨烯具有2层至5层石墨烯。