[发明专利]一种限域生长的超薄二维材料及其制备方法

说明书

本发明属于二维材料制备技术领域，具体涉及一种限域生长的超薄二维材料及其制备方法。本发明以一种小剂量的反应物A均匀分散于另一种大剂量反应物晶体粉末B表面上，得到混合物；然后采用水热法，使均匀分散的混合物反应，形成具有超薄结构的二维材料，即为限域生长的超薄二维材料。与现有类似的盐辅助制备二维材料的技术相比，本发明方法只要符合A可均匀分散于B晶粒表面和B晶粒够小以提供限域生长这两点即可用来制备超薄二维材料，且可根据需求调节A和B的种类来合成不同种类的超薄二维材料。另外，可以通过调节A与B的比例来控制2D材料的厚度。这是其他盐辅助制备二维材料方法所不具备的，且具有广泛的适用性。

技术领域

本发明属于二维材料制备技术领域，具体涉及一种限域生长的超薄二维材料及其制备方法。

背景技术

超薄二维(2D)材料自2004年Geim小组成功分离出石墨烯以来，一直是材料研究的热点领域，源于其出色的光学、电、磁和结构特性。它的横向尺寸大于100nm或高达几微米甚至更大，但厚度只有单个或几个原子层厚(通常小于5nm)。这种超薄厚度大大增加了它们的比表面积和促进原子利用率，超高的比表面积在催化、电容器等方面有着巨大的应用前景，而表面原子的高利用率使得材料更易通过表面改性掺杂等方式优化材料的性质和功能；其次超薄二维平面的材料，其载流子迁移和热量扩散都被限制在二维平面内，使其具有独特的电子特性。

二维材料的合成过程可以分为两类，分别是自上而下和自下而上的方法。通常，剥离是最常见的自顶向下的方法来制造单层或少层2D的材料。剥离可减弱具有分层晶体结构的块状材料的层间范德华力，同时保持共价键在平面内产生单层或几层纳米片。但自上而下的剥离方法不适用于不分层的晶体材料，存在局限性；自下而上的方法是另一种有效的2D材料合成途径。与剥离方法不同，自下而上方法中使用的前体不需要分层结构。化学气相沉积(CVD)和湿化学方法是典型的自下而上方法。CVD可以在气体气氛的条件下成功地在单晶衬底(通常为SiO₂/Si，蓝宝石，云母和SrTiO₃)上合成具有大面积和均匀性的高质量单层2D材料。但以这种方式，衬底例如SiO₂/Si的、蓝宝石和云母等难以被去除，因此，在实际应用中去除衬底增加制备二维材料的成本和流程，限制了该方法的广泛应用。湿化学方法(例如水/溶剂热，溶胶-凝胶和软胶体模板化方法)通常具有较高的生产率，这是因为液体反应系统对前驱物原子的利用率很高。在该合成系统中，通常引入表面活性剂或聚合物单体以诱导生成2D形态，但表面活性剂和聚合物残留物会影响2D材料的化学和物理性质，因此使用湿化学方法难以实现制备高质量的二维材料。

尽管大多数具有不同结构和组成的2D材料都可以使用上述方法进行合成，但仍缺乏快速，高产量，低成本和简单的合成方法来进一步探索2D材料在不同应用中的潜力。

发明内容

为了克服现有技术的不足和缺点，本发明的首要目的在于提供一种限域生长的超薄二维材料的制备方法。

本发明的另一目的在于提供上述制备方法制备得到的限域生长的超薄二维材料。

本发明的再一目的在于提供上述限域生长的超薄二维材料的应用。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种限域生长的超薄二维材料的制备方法，包含如下步骤：

以一种小剂量的反应物A均匀分散于另一种大剂量反应物晶体粉末B表面上，得到混合物；然后采用水热法，使均匀分散的混合物反应，形成具有超薄结构的二维材料，即为限域生长的超薄二维材料；其中，反应物晶体粉末B充当模板，其粒径尺寸10～50μm；

所述的反应物晶体粉末B与反应物A的质量比优选不小于15:1；

所述的限域生长的超薄二维材料的制备方法，优选包含如下步骤：

(1)将反应物晶体粉末B颗粒细化处理至粒径尺寸为10～50μm；