[发明专利]可放大的用于大量制备片状剥离的、无缺陷的、非氧化的二维材料的方法

说明书

发明领域

本发明涉及制备原子薄度的二维材料例如石墨烯的方法。具体来说，本发明涉及简单的、可放大的以工业数量制备高质量、无缺陷的、未氧化的二维材料例如石墨烯的方法。这种材料应用于复合材料,涂料和电子装置。

发明背景

自然界中存在多种二维(2-D)原子晶体。最简单和研究最多的是石墨烯(碳原子的原子尺度的2-D蜂窝状晶格),然后是氮化硼(BN)。然而,还存在数以百计的二维原子晶体，包含过渡金属二硫属化物(TMD)例如二硫化钼(MoS₂),二硒化铌(NbSe₂),二碲化钒(VTe₂),过渡金属氧化物例如二氧化锰(MnO₂)和其它层状化合物例如碲化锑(Sb₂Te₃),碲化铋(Bi₂Te₃)。取决于精确的原子设置，这些晶体可为金属、绝缘体或半导体。

层状材料以许多种变体出现，其中一个族具有通式MX_n(其中M＝Ti,Zr,Hf,V,Nb,Ta,Cr,Mn,Mo,W,Tc,Re,Ni,Pd,Pt,Fe,Ru；X＝O,S,Se,Te；和1≤n≤3)。常见的一组是过渡金属二硫属化物(TMD)，其由夹在两硫属原子层之间的六方金属原子层组成。虽然在这些三层片之内的连接是共价键的，但TMD晶体之内的相邻的片通过范德华相互作用微弱的连接。取决于金属原子的配位和氧化状态,TMD可为金属或半导体。例如,二硫化钨(WS₂)是半导体，而二硫化钽(TaS₂)和碲化铂(PtTe₂)是金属。这种多样性，使得它们潜在地可用于电子器件的许多领域。

在过去的十年，因为石墨烯的多种有用的性质，石墨烯已变成全部纳米材料中研究最多的。¹石墨烯片由以平坦的六方设置组织的原子薄的sp²连接的碳原子阵列组成，并首先在2004年由格姆(Geim)和诺伏索夫(Novosolov)制备和开发。然而,它们只能微机械裂解石墨制备单独的石墨烯片。²

已经成熟地记录了石墨烯的新颖的电学性能。¹此外，石墨烯对于许多应用而言都是理想的。例如,它是人类已知的最强的材料³,它以制备成大面积的透明导体⁴，且在复合材料、涂料和电子装置领域极其有前途。因为这些令人兴奋的性质，已开发了多种制备石墨烯的新方法，例如通过退火SiC基材⁵或在金属载体上生长。⁶

到目前为止，制备石墨烯的这些方法都是非常成功的。然而,很可能石墨烯的许多未来的工业应用是下述领域，例如大面积涂料或复合材料填料，这需要非常大量地制备石墨烯。⁷现有的方法都不是可放大的并大量形成无缺陷的石墨烯。为此，很可能需要液相制备方法。⁸

在过去几年中，已证明许多方法以合理的量来制备石墨烯(最近制备其它2-D材料)。两种主要方法是化学气相沉积(CVD)和液体片状剥离。CVD是可用来在表面上生长单层石墨烯⁴或其它2D材料例如MoS₂⁹的方法，主要用于电子应用。沉积的典型质量是～10^-7kg/m²。然而,许多应用例如将石墨烯用作复合材料中的填料需要大得多的质量，潜在地是很多吨每年。此外,CVD石墨烯的形式-在表面上的单层-不适于例如复合材料或多孔电极的应用。已广泛接受液体片状剥离是以多用途形式(微米尺寸的薄片)大量制备石墨烯的唯一方法。