[发明专利]一种利用常压等离子体制备二维材料的方法

说明书

本发明涉及一种利用常压等离子体制备二维材料的方法。该方法基于常压微等离子体技术构建一种阴极为材料晶体的剥离装置，对材料晶体进行剥离，得到二维晶体薄片。与其他剥离方法相比，本发明方法步骤简单、操作方便，短时高效，无需使用复杂昂贵的设备和额外的化学试剂，且对环境和材料表面无污染，特别适用于制备二维黑磷材料。此外，该方法在常温常压条件下即可实现，过程更易于控制，有利于工业化应用。

技术领域

本发明涉及二维纳米材料制备领域，特别涉及一种利用常压等离子体制备二维材料的方 法。

背景技术

二维晶体是由几层单原子层堆叠而成的纳米厚度的平面晶体，近年来，二维晶体材料因 其优越的电气特性，成为半导体材料研究的新方向。

黑磷(Black Phosphorus,BP)是磷单质在常温常压下最为稳定的一种同素异形体，是一种 具有天然褶皱结构的类石墨烯二维层状材料。相比于其他的二维材料，黑磷具有很多独特的 优势。已有资料表明，黑磷是一种直接带隙半导体，其带隙(0.3～2.0eV)可以在很大范围内 通过层数调节，实现从近红外到可见光不同波段的光吸收。同时，黑磷的载流子迁移率可以 达到10³cm²/(V·s)，还具有高达10⁵的开关比。目前，黑磷在光学器件、生物医药等领域得 到了广泛应用。

众所周知，二维材料层间通过范德华力相互作用，层间作用力相对较弱，因此普遍可以 通过机械剥离方法获得。但机械剥离法得到的材料效率低，质量不稳定。难以在产业上广泛 应用。机械剥离制备少层黑磷同样产量较低，且制备的黑磷表面会有粘合剂的残留。同时， 由于二维黑磷极易氧化，因此剥离方法需要在无水无氧的环境中进行。

与机械剥离相比，超声液相剥离更具有规模化的应用前景，且该方法可以有效的隔绝氧 气，有利于材料的储存。Brent等人首次报道出对含有黑磷的N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶液水浴 超声24h，且控制温度低于30℃，可以获得少层二维黑磷(Chem Commun,2014,50,13338)。 然而，超声液相剥离的时间过长，且对温度和设备的要求较高，制备条件较为苛刻。特别是 因为超声波固有空化作用，致使无法制备出的大尺寸的少层黑磷。

近年来，一些新的方法也被提出来。中国专利CN105110305A公开了一种超临界二氧化 碳辅助制备多原子层黑磷的方法。该方法在超临界二氧化碳辅助条件下，随后进行超声液相 剥离，合成原子层黑磷。但需要控制超临界装置压力为150-200bar，反应条件苛刻。中国专 利CN104779380A公开了一种利用电化学制备磷烯的方法，该方法利用含有添加剂的化学电 解液，在电场作用下将黑磷剥离为磷烯。但该方法不可避免的使用化学添加剂，且对电极的 尺寸有所限制。中国专利文献201510553085.0公开了一种黑磷烯纳米片的制备方法，是利用 高速旋转刀头产生的液相剪切力剥离黑磷晶体而制备。但整个制备过程需要在氩气的环境中 完成，条件较为复杂。

综上所述，为了进一步拓展二维晶体，尤其是二维黑磷的应用领域，有必要对二维材料 晶体的制备方法进行改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是开发出一种操作简单、快速高效、条件温和、且无需额外 化学添加剂的二维纳米薄片材料的制备方法。

具体而言，本发明涉及一种利用常压等离子体制备二维材料的方法，在常温常压条件下， 无需使用复杂昂贵的设备和额外的化学试剂，即可实现二维材料的快速高效制备。

本方法尤其适用于制备二维黑磷材料，且由于采用的溶剂是保护黑磷常见的溶剂，而制 备过程中二维黑磷被剥离至溶剂中，因此避免了空气或水的氧化作用，有利于保持二维黑磷 的稳定。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：