[发明专利]高度有序结构的层状金属硫族化合物/碳纳米管柔性复合薄膜材料及制备

说明书

本发明属于复合材料领域，具体涉及一种高度有序结构的层状金属硫族化合物(LMC)和碳纳米管(CNTs)柔性复合薄膜材料的结构设计及其制备方法。复合材料包括：超薄自支撑(透明)CNTs薄膜基体，以及均匀包覆在其表面的LMC薄膜，形成具有纳米尺度多孔结构、高导电通道的三维网络结构的柔性复合薄膜材料。制备方法包括：提供承载自支撑CNTs薄膜的合金支架，并在加热条件下对其承载的CNTs薄膜进行等离子体清洗处理；将预处理的CNTs薄膜在0.2～2Pa气压，30～800℃的温度下，利用磁控溅射沉积技术制备LMC/CNTs复合功能薄膜材料。本发明成功将脆性层状金属硫族化合物功能二维(2D)材料和一维(1D)CNTs进行有效连接，形成具有结构柔性的三维(3D)网络结构。

技术领域

本发明属于复合材料领域，具体涉及一种高度有序结构的层状金属硫族化合物(LMC)和碳纳米管(CNTs)柔性复合薄膜材料的结构设计及其制备方法。

背景技术

近年来，随着能源供给与经济发展之间的不平衡凸显，世界范围内的能源危机与环境污染日益严重，“节能减碳”和寻求清洁能源技术是当今各国无不关心的议题。热电材料是能使热与电这两种不同形态的能量相互转换的先进功能性半导体材料，可充分利用日常生产和生活中的废热余热发电，是当前我国资源高效利用、余热余能回收等节能环保科技专项中的重要研究内容。热电材料在某一个方向的尺寸被限制到纳米范围时，其热电转换性能将会大幅提升。因此，薄膜热电材料等得到了快速的发展并且获得了科学界和工业界的广泛关注。

目前，热电材料的重要应用方向之一为柔性能源器件、微型传感器和制冷芯片等领域，尤其受到下一代可穿戴电子设备的青睐，这得益于热电功能材料稳定的热电转化效率、无震动、无噪音、结构性能稳定，而且可以将微量热源转换为电能支持微电子设备运行等优点。高分子型热电材料由于其具有制备成本低、质量轻且具有良好的柔韧性能等优点，引起了科学家们的广泛关注。但是，由于其较低的热电能量转化效率、空气中的稳定性差、n型和p型难以匹配等问题，高分子型热电材料的实用化过程依然非常漫长。从室温至200℃之间，无机类热电材料依然具有最高的能量转换效率。然而，高效率的无机热电材料多为共价键半导体材料，其具有本征的脆性，熔点低、组分易于变化等特性，用普通的物理化学方法很难制备结构致密且具有高结晶质量和良好结合力的热电薄膜材料。因此，亟待制备一种易于合成且具有优异的柔性和热电转换性能的热电材料。该材料应具备可调控的热电性能，良好的抗弯折变形性能以及极佳的结合力，且易于组装成微型器件，以期填补我国在该类型热电器件上的空白。

发明内容

为了解决层状金属硫族化合物本征脆性导致的应用局限性问题，本发明的目的在于提供一种高度有序结构的自支撑层状金属硫族化合物(LMC)和碳纳米管 (CNTs)柔性复合薄膜材料的结构设计及其制备方法，该复合材料在柔性热电能量转换器件、微型传感器以及控温元件等领域具有十分广阔的应用前景，该方法解决层状二维材料难以大量制备的问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种高度有序结构的层状金属硫族化合物/碳纳米管柔性复合薄膜材料，该复合薄膜材料包括碳纳米管薄膜基体以及均匀沉积在碳纳米管束表面的层状金属硫族化合物功能薄膜，形成具有纳米多孔结构、高导电通道的三维网络结构；其中，碳纳米管薄膜厚度为40～400nm，碳纳米管体积分数小于10％，层状金属硫族化合物功能薄膜层的名义厚度为20～1000nm，当名义膜厚为400nm时，复合薄膜材料中碳纳米管体积分数对应小于1％。

所述的高度有序结构的层状金属硫族化合物/碳纳米管柔性复合薄膜材料，碳纳米管薄膜由取向随机分布且直径为5～50nm的束状碳纳米管所构成，碳纳米管薄膜内的碳纳米管长度为5～50μm。

所述的高度有序结构的层状金属硫族化合物/碳纳米管柔性复合薄膜材料，层状金属硫族化合物功能薄膜层名义厚度为在同等沉积条件下，沉积于表面平整的 SiO₂基片上的薄膜厚度；层状金属硫族化合物功能薄膜层结晶质量高，并表现出极强的面外织构和有序显微结构特性。