[发明专利]层状材料及其加工方法

说明书

用于生产衍生自层状材料的纳米片的方法，包括以下步骤：(a)将所述层状材料的颗粒与载体液体混合以形成所述颗粒在所述载体液体中的分散体；(b)将分散体加压至至少10kpsi的压力；以及(c)在所述压力下迫使分散体沿着微流体通道，以向分散体中的所述颗粒施加至少10⁵s^‑1的剪切速率。由此造成纳米片从所述颗粒剥离。例如，纳米片可以是石墨烯纳米片。步骤(b)和步骤(c)可以重复多次循环以便促进剥离。该方法可以使用微流化器进行。

导致本发明的工作已经在拨款协议n°604391下从欧盟的第七框架计划(SeventhFramework Programme)(FP7/2007-2013)中获得资助。

发明背景

发明领域

本发明涉及用于加工层状材料的方法和这种加工的产品。本发明对石墨的加工具有特殊的适用性以生产石墨烯纳米片和石墨纳米片，但本发明对其他层状材料也具有适用性。在本发明中特别的但非排他性的兴趣是基于层状材料的油墨。

相关技术

柔性电子器件(Flexible electronics)是快速发展的研究领域。应用包括触摸屏、电子纸(电子纸(e-paper))、传感器、射频标签、光伏电池、发光二极管和电子纺织品。

辊对辊印刷或涂布工艺(丝网印刷、喷墨印刷、凹版印刷和柔版印刷、幅材或槽模(slot die)涂布)是用于大面积制造柔性电子器件的有前景的技术。可以印刷一系列部件，例如在例如光伏电池、电池、有机发光二极管(OLED)和显示器的装置中的导电迹线、晶体管、电容器和电极。辊对辊印刷工艺是多用途的，涉及有限数量的工艺步骤，适于大规模生产，并且可以沉积受控量的材料。目前在其中需要透明导电电极的装置中，使用氧化铟锡(ITO)。然而，由于ITO的脆性，柔性装置难以实现。铟也是稀有材料并且非常昂贵。

对于其中不要求材料是透明的部件例如导电迹线，采用金属纳米颗粒油墨。金属纳米颗粒油墨被认为在普通溶剂中是不稳定的，普通溶剂例如去离子(DI)水、丙酮、异丙醇、N-甲基吡咯烷酮(NMP)或四氢呋喃[Singh等人(2010)和Luechinger等人(2008)]。因此，它们需要被化学改性，以便经由使用稳定剂被分散。金属纳米颗粒在印刷工艺之后也倾向于氧化[Singh等人(2010)]。

石墨烯是用于sp²碳同素异形体的二维(2d)结构单元(building block)。近弹道运输和高迁移率使石墨烯成为用于纳米电子学特别是用于高频应用的理想材料。此外，石墨烯的光学性能和机械性能对于微机械系统和纳米机械系统、膜晶体管、透明和导电复合材料、电极和光子学是理想的。Bonaccorso等人(2010)进行了石墨烯光子学和光电子学的综述。

已知石墨烯可以通过石墨的微机械剥离来分离[Novoselov等人(2005)]。这种技术在纯度、缺陷、迁移率和光电特性方面提供了良好的结果。然而，对于广泛应用来说需要大规模的生产方法。已经做出尝试以通过化学气相沉积(CVD)[Li等人(2009)]、通过热处理碳化硅升华Si原子[Berger等人(2004)]、从金属基底离析和液相剥离(LPE)[Hernandez等人(2008)、Lotya等人(2009)、Valles等人(2008)以及Hasan等人(2010)]提供大规模生产方法。先前的工作已经将LPE确定为用于生产可印刷油墨的合适候选者，例如在下面讨论的WO2014/064432中。

石墨可以通过化学湿分散随后在含水溶剂和非水溶剂两者中超声处理被剥离。分散可以通过用分散剂(例如表面活性剂、聚合物等)在水中温和声处理石墨，随后是基于沉降的超速离心来实现[Hernandez等人(2008)，Hasan等人(2010)和Marago等人(2010)]。特别地，当与密度梯度超速离心[Green和Hersam(2009)]结合时，胆盐表面活性剂被报告为允许分离具有受控厚度的薄片。也已经报告了石墨插层化合物和可膨胀石墨的剥离。