[发明专利]纳米多孔薄膜及其制造方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2013年3月13日提交的第61/779,098号临时申请的优先权，其内容通过引用被并入本文。

技术领域

一般而言，本发明设计纳米多孔薄膜及用于制造该薄膜的方法。更具体地，本发明涉及由原子级薄材料层和聚合物膜制成的纳米多孔薄膜，其中，纳米尺寸的孔设置在该原子级薄层中，并且同心纳米尺寸或微米尺寸的孔设置在该聚合物膜中。

背景技术

操纵用于纳米技术组件的单个原子的能力持续发展。这些发展的中的一些属于材料领域，且特别是原子级薄材料，其可使用单一分子组件或所选择的分子组件的组合。这种材料的一个示例是石墨烯，其为二维芳香族碳聚合物，二维芳香族碳聚合物具有众多的应用，范围从电子存储器、蓄电器、复合增强、薄膜等。其它的原子级薄材料被认为具有其自身的有益特性。

原子级薄材料的一个非限制性示例为石墨烯。石墨烯薄膜是单原子层厚度的碳原子层，结合在一起以限定片体。可称为层或片的单石墨烯薄膜的厚度约为0.2到0.3纳米(nm)厚，或在本文中有时称为“薄”。石墨烯层的碳原子限定由六个碳原子构成的六边形环状结构(苯环)的重复图案，其形成碳原子的蜂巢式晶格。间隙孔由片体中的每六个碳原子环状结构形成，并且该间隙孔宽度小于1纳米。事实上，本领域技术人员将理解的是，间隙孔被认为在其最长尺寸上宽约0.23纳米。因此，除非有穿孔，否则间隙孔的尺寸及配置以及石墨烯的电子性质排除了跨越石墨烯厚度的任何分子的运输。

最近的发展已聚焦在石墨烯薄膜上，该石墨烯薄膜用于用作诸如咸水脱盐的应用中的过滤薄膜。这种应用的一个示例公开于第8,361,321号美国专利中，其通过引用并入本文。由于石墨烯的这些各种使用以及其它原子级薄材料的发展，需要制造具有纳米或微米尺寸的孔或洞的材料和支撑衬底。

因为薄膜通常必须是非常薄的以允许在整个薄膜的厚度中保持这样小的孔隙尺寸，所以具有0.1到10nm孔隙尺寸的纳米多孔薄膜是难以制造的。因此，承担孔隙的薄膜必需支撑在较厚的多孔衬底上，以使最后的复合薄膜具有足够的机械强度。

制造这种复合薄膜的当前方法使用穿孔的石墨烯(厚度约1纳米)作为活性薄膜材料，并且使用多孔聚碳酸酯膜(厚度约5到10微米)作为支撑衬底。在这两层中的每一层上的孔已经被制造之后，这两层被匹配到另一个上。在两衬底中的孔没有彼此定位或对齐，因此通过复合膜的流动受到重叠的孔的统计量的限制。换言之，基于一致地对齐于多孔聚碳酸酯膜的孔的石墨烯薄膜材料中孔的随机排列，通过复合膜的流动受到限制。

匹配穿孔的原子级薄材料(例如，石墨烯)与多孔聚碳酸酯膜以产生用于纳米过滤的复合薄膜被认为提供了超越其它过滤型薄膜的改进。其它的纳米多孔薄膜由较厚的聚合物膜制成，该聚合物膜具有进行纳米尺度排除的曲折路径，但是由于其厚度，它们一般会具有极低的渗透性。因此，在本领域中需要提供具有对齐的同心孔的具有原子级薄材料层和聚合物层的纳米多孔薄膜。此外，在本领域中需要提供穿过原子级薄材料层和聚合物膜层的同心孔的纳米多孔薄膜，其中，穿过聚合物膜层的孔的直径实质上比穿过原子级薄材料层的孔的直径大。

发明内容

根据上述情况，本发明的第一方面提供纳米多孔薄膜及其制造方法。

本发明的另一方面提供用于制造纳米多孔膜的方法，其包括提供含有原子级薄材料层及聚合物膜的复合膜，以及以高能粒子撞击复合膜，以形成至少穿过原子级薄材料层的多个孔隙。

上述实施方式的另一方面提供选择高能粒子以形成穿过原子级薄材料层及聚合物膜的多个孔隙，以使得聚合物膜化学功能化。

上述实施方式的又一方面提供蚀刻聚合物膜，以在聚合物膜中形成多个扩大的孔隙。

上述实施方式的再一方面提供多个扩大的孔隙中的每个，以使得它们基本上与穿过原子级薄材料层的多个孔隙中的一个对齐。

上述实施方式的再一方面提供穿过原子级薄材料层的多个孔隙，其尺寸范围从0.5nm到约10nm，其中，多个扩大的孔隙的尺寸范围从10nm到1000nm，并且其中，多个扩大的孔隙以使得其具有大于多个孔隙的直径。方法还可包括控制撞击和蚀刻，以使得多个扩大的孔隙具有大于多个孔隙的直径。

上述实施方式的又一方面提供用于将所述原子级薄材料层设置为碳材料的单原子层，或将所述原子级薄材料层设置为碳材料的多原子层。方法还可包括从含有石墨烯、少层石墨烯、二硫化钼、氮化硼、六方晶氮化硼、二硒化铌、硅烯(silicene)和锗烯(germanene)的组中选择原子级薄材料。