[发明专利]一种大面积、厚度可控的二维材料纳米片的及其通用制备方法

说明书

本发明提供一种大面积、厚度可控的二维材料纳米片的及其通用制备方法。该通用制备方法通过高能纳秒激光脉冲加热升华实现。其中，由于二维材料层内的热传导系数远远高于层间的热传导系数，因此通过控制激光脉冲的能量，使得二维材料被均匀地层层加热升华，通过调节激光脉冲作用(加热)时间控制减薄厚度，最终得到厚度可控的二维材料薄膜。同时在二维平面空间自由移动的样品位移台能实现大面积范围(≥10厘米)的二维材料薄膜制备，相比传统的机械剥离、液相剥离等方法，本发明能够调控二维材料薄膜的样品厚度，通用性高，适用于所有的二维材料。

技术领域

本发明属于二维纳米材料技术领域，涉及一种大面积、厚度可控的二维材料薄膜及其通用制备方法，可应用于二维材料制备/加工领域。

背景技术

近年来，以石墨烯为代表的二维材料在材料科学掀起了巨大的波澜，其二维结构给材料带来特别的性能。二维材料是一种通过层间范德华作用力结合的材料，因此可以通过简单的机械剥离使其减薄，甚至单层。二维材料因其层数的不同可以展现出不同的光、电、磁等性质。例如：单层石墨烯是零带隙半导体，而双层石墨烯则是金属；单层石墨烯可以观察到半整数量子霍尔效应，双层石墨烯却不存在这样的性质；使用不同厚度的MoS₂层，可以调节不同波长的光检测，其中单层和双层MoS₂被证明是有效的检测绿光，而三层的MoS₂很适合检测红光；PtS₂厚度在5层以内表现出半导体的性质，而5层以上表现出金属性质；因此，通过使用不同厚度的二维材料可以实现对材料的改性，为更广阔的研究和应用提供基础，有望引领基于材料创新的产业变革。

然而,不同厚度二维材料的制备技术还面临着诸多的挑战。首先,虽然通过机械剥离的方法可以得到大部分的二维层状材料,但是这种方法厚度无法控制,样品横向尺寸较小。通过其他的方法例如液相剥离或者化学气相沉积可以制备大面积石墨烯和部分过渡金属硫族化合物,但样品的厚度还是难以控制,且这些方法不具备通用性，在新的二维材料制备方面有待进一步优化。因此,要实现二维材料的广泛应用,可控厚度的制备是前提,这涉及二维材料制备的专业装备和在专业装备基础上发展的制备工艺技术。

现有二维层状材料薄膜的制备方法存在材料厚度难以控制、面积小、适用性不强等缺点，严重制约了它的实际应用。本发明为了避免现有二维材料制备技术存在的不足之处，提供了一种大面积、厚度可控的二维层状材料薄膜的通用制备方法，通过高能纳秒激光脉冲对聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)涂覆保护的层状样品进行加热升华，调节激光功率、脉冲时间、脉冲数量改变施加给材料的温度，当施加的温度通过层内传导达到材料升华温度时，即可得到一层的减薄效果；当最上层材料升华后，第二层材料开始升华；通过调节脉冲时间和数量控制材料的减薄厚度。此方法能够快速实现厚度可控的二维层状材料薄膜的规模化制备，操作简单，生产效率高。

二维材料层内的热传导系数：0.1-2W/cm·K。二维材料层与层之间的热传导系数：0.01-0.2W/cm·。对于同一种二维材料而言，层内的热传导系数比层间热传导系数大约高10倍。因此激光设备照射到样品上产生的热量趋向于从层内向层间释放，产生的能量梯度使得样品逐层被升华，层数被减薄。对于同一种二维材料而言，其每层厚度相同，因此随着层数减薄，材料的厚度降低。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种大面积、厚度可控的二维材料纳米片制备的通用新方法。本发明利用二维材料层内与层间热传导系数的巨大差异(大约10倍)，得到制备大面积、厚度可控二维材料薄膜的合适脉冲激光能量条件，实现材料随激光脉冲数目的增加，厚度减薄可控的效果，即脉冲数目越多材料被减薄到越薄。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种大面积、厚度可控的二维材料纳米片，所述的二维材料纳米片为单层或多层，样品尺寸可达10厘米。