本发明专利技术公开了一种由机械剥离制备的硅烯薄膜及所得硅烯薄膜在电池中的应用，将二维纳米材料物理覆盖金属薄膜钝化的硅表面，经过高温处理，硅元素扩散到二维纳米材料与金属薄膜的界面，降低至常温后，将样品分散在有表面活性剂的溶剂液体中，极性分子非常容易进入金属薄膜与基底材料的界面中，通过超声搅拌，增加金属薄膜与基底材料的摩擦，将二维纳米材料和硅烯从硅衬底上剥离，获得硅烯薄膜。本发明专利技术利用机械剥离的方式，通过物理作用在液相中剥离获得硅烯薄层，保护了硅烯材料的物理性质，避免了高真空和高危气体的工作环境，以及避免了剧毒有机反应物的使用，而且二维纳米材料可以反复利用，降低了成本，在太阳能电池领域具有宽广的市场应用价值。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及纳米材料制备领域，具体涉及一种机械剥离制备硅烯的方法及所得硅烯在电池中的应用。
技术介绍
硅与碳同属于元素周期表的IV族元素，同样在自然界和材料学中占据极端重要的地位。2007年，Verri等人提出硅可以形成类似石墨的单原子层结构并将之命名为硅烯（silicene）。随后的一系列理论工作表明，硅烯具备与石墨烯类似的Dirac型电子结构，其布里渊区同样有六个线性色散的Dirac锥。由此，大多数在石墨烯中发现的新奇量子效应，都可以在硅烯中找到相应的版本。而且，硅烯体系还具备石墨烯体系没有的一些优势，例如，硅烯中具有更强的自旋轨道耦合，因此能在其Dirac点打开更大的能隙，从而实现可观测的量子化自旋霍尔效应（QSHE）。硅材料易于获得和制备并与现有的硅半导体工业兼容，因此硅烯在应用上有极广阔的前景。由于硅不存在石墨一样的层状结构，因此传统的直接从Si（111）晶面机械剥离的方法不可行。固体硅是金刚石结构，而对应氧化物石英，是质地坚硬的绝缘体，如化学法还原氧化石墨炼的方法还原硅也比较困难。因此现在制备硅烯的方法主要是外延生长法。中国专利技术专利申请号201510793100.9公开了一种硅烯的制备方法。该方法是将硅块加工成硅靶，硅靶的形状为凹锥形；将上述硅靶安装在铯溅射负离子源的溅射靶上，用铯离子溅射硅靶，溅射产生的Si2-团簇负离子束由吸极引出孔引出，Si2-团簇负离子在经吸极电压加速后经过扫描电场均匀沉积在Ag(111)衬底上；样品在真空腔内，Ar+离子对表面进行溅射，然后在超高真空下对样品进行退火处理，即可完成硅烯的制备。本专利技术利用低能团簇负离子束单个原子的低能量、剂量精确可控的优势，可以实现直接沉积法制备硅烯。然而，该方法首先需要铯离子作为基础原料，成本非常高，而且需要Ar+离子对表面进行精细处理，无法进行产业扩大，不利于工业化生产。中国专利技术专利申请号201210353611.5公开了一种二维硅烯薄膜及其制备方法。该方法采用化学气相沉积或物理气相沉积技术将硅原子基团从气态硅源中释放在催化层上而形成硅烯薄膜；所述催化层的厚度为25nm~25mm，催化层温度控制在20~1600℃之间。本专利技术方法简单、易于实现。制备得到的硅烯薄膜是由三个、四个、五个或七个硅原子为其重复单元并由共价键相连而成的二维层状薄膜，所包含的硅烯的层数为1~200层。但是，该专利技术使用的气态硅源腐蚀性强，危险性高，需要复杂的气体原料储存输运设备，安全隐患大，操作困难。中国专利技术专利申请号201210470694.6公开了一种硅烯材料的制备方法。该方法是在真空环境下，将适量半导体材料硅蒸发沉积到过渡金属基底上，所述过渡金属基底为铱的(111)面，再对整个样品进行退火处理，以将覆盖在基底表面的硅相互作用，形成六角蜂窝状排布的二维有序膜状结构，从而获得硅烯材料。这种新型材料类似于石墨烯，在未来信息电子学及器件开发研究方面具有广泛的应用潜力。但是，该方法使用稀有的(111)面单晶作为基底原料，不利于工业化大规模生产，不利于降低成本。目前外延生长所采用的衬底只有金属性表面：银表面和铱表面，且生长后的硅烯与衬底作用较强，不易转移。尚无在半导体和绝缘体上成功外延合成硅烯的实验，也没有得到如石墨烯那样不依赖衬底单独存在的硅烯。其实，目前硅烯的实验合成还处于比较基础的阶段，主要还是采用物理和化学气相沉积法制备。这种方法制备设备要求高，门槛高，仅适用于实验室研究，无法实现工业化生产。机械剥离法制备方法简单，制备过程环保无污染，生产成本较为低廉，在工业生产中备受青睐。如果能够采用机械剥离法制备硅烯将不引入杂质，能够有效保护了硅烯结构的完整性，提高硅烯产品的质量。
技术实现思路
针对物理和化学气相沉积法制备硅烯成本非常高，不适合大规模工业化生产的技术问题，本专利技术提出一种机械剥离制备的硅烯薄膜及所得硅烯薄膜在电池中的应用，通过将二维纳米材料物理覆盖金属薄膜钝化的硅表面，经过变温处理后，将样品分散在有表面活性剂的溶剂液体中，通过超声搅拌，增加金属薄膜与基底材料的摩擦，将二维纳米材料和硅烯从硅衬底上剥离，获得硅烯薄膜。本专利技术利用机械剥离的方式，通过物理作用在液相中剥离获得硅烯薄层，保护了硅烯材料的物理性质，避免了高真空和高危气体的工作环境，以及避免了剧毒有机反应物的使用，而且二维纳米材料可以反复利用，降低了成本，在太阳能电池领域具有宽广的市场应用价值。为解决上述问题，本专利技术采用以下技术方案：一方面，本专利技术提供一种机械剥离制备硅烯薄膜的方法，所述方法采用Si（111）材料作为硅源，包括以下步骤：（1）清洗Si（111）硅片；（2）在所述硅片上涂覆一预设金属薄膜，所述预设金属薄膜的厚度为3~5nm；（3）将二维纳米材料覆盖在金属薄膜上，放入真空高温炉中升温至750~1050℃，保温2~4小时，冷却到室温取出，得到复合结构的硅片；（4）将步骤（3）获得的复合硅片放入有表面活性剂的溶剂液体中，超声搅拌10~30分钟，超声功率为300~500W，极性水分子进入金属薄膜与基底材料的界面中，通过超声空化作用，以增加金属薄膜与基底材料的摩擦，将二维纳米材料和硅烯从硅衬底上剥离，获得硅烯薄膜。优选的，所述Si（111）硅片的直径为50~100mm，厚度为0.1~0.3mm。优选的，所述清洗Si（111）硅片包括以下步骤：采用温度为80℃的SPM溶液清洗5分钟后，用去离子水冲洗，再在HF溶液中超声1分钟，去除硅片表面的氧化硅，最后用去离子水冲洗，去除HF残留液，用热氮气吹干硅片表面；所述SPM溶液为H2SO4:H2O2=1:4~5的强氧化性溶液；所述HF溶液浓度为3.5~5%；所述热氮气为纯度为99.9%的氮气，温度为80~90℃。优选的，所述预设金属薄膜包括金属为功函数大于Si的Ag、Au、Mo、Cu和Ti中的一种金属所制备的薄膜。优选的，所述在硅片上涂覆所述金属薄膜具体为采用蒸发法，溅射法，化学还原法中的至少一种方法获得所述预设金属薄膜。优选的，所述二维纳米材料包括六方氮化硼、二硫化钼、二硫化钨、二硒化钼、石墨烯中的至少一种纳米材料，所述纳米材料的片径为100~500nm，厚度为5~20nm。优选的，所述将二维纳米材料覆盖在金属薄膜上，具体方法包括通过悬涂法，连续沉积法，压印法中的至少一种制备方法将二维纳米材料覆盖在金属薄膜上。优选的，所述含有表面活性剂的溶剂液体，其中，表面活性剂为十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、聚乙烯吡咯烷酮、1-吡啶酸中的至少一种，所述溶剂液体为去离子水，所述表面活性剂与所述溶剂液体的摩尔质量比为1:50~100。另一方面提供一种机械剥离制备的硅烯薄膜在太阳能电池中的应用：一种硅烯太阳能电池，由上到下包括以下结构：顶电极层、复合吸收层、空穴传输层、背电极层，其中，顶电极层和背电极层均为由机械剥离制备的硅烯薄膜。本专利技术所制备硅烯薄膜性能与气相沉积制备的薄膜性能测试结果，如表1所示。表1：目前采用物理和化学气相沉积法制备硅烯成本非常高，不适合大规模工业化生产的技术问题，而且使用到剧毒污染气体或者稀有的贵金属，还可能需要对硅烯薄膜进行后处理来提高其稳定性，进而导致处理过程复杂，生产周期及成本增加等问题。本专利技术提出一种由机械剥离制备的硅烯薄膜及所得硅本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种机械剥离制备硅烯薄膜的方法，其特征在于，所述方法采用Si（111）材料作为硅源，包括以下步骤：（1）清洗Si（111）硅片；（2）在所述硅片上涂覆一预设金属薄膜，所述预设金属薄膜的厚度为3~5nm；（3）将二维纳米材料覆盖在金属薄膜上，放入真空高温炉中升温至750~1050℃，保温2~4小时，冷却到室温取出，得到复合结构的硅片；（4）将步骤（3）获得的复合硅片放入有表面活性剂的溶剂液体中，超声搅拌10~30分钟，超声功率为300~500W，极性水分子进入金属薄膜与基底材料的界面中，通过超声空化作用，以增加金属薄膜与基底材料的摩擦，将二维纳米材料和硅烯从硅衬底上剥离，获得硅烯。
【技术特征摘要】
1.一种机械剥离制备硅烯薄膜的方法，其特征在于，所述方法采用Si（111）材料作为硅源，包括以下步骤：（1）清洗Si（111）硅片；（2）在所述硅片上涂覆一预设金属薄膜，所述预设金属薄膜的厚度为3~5nm；（3）将二维纳米材料覆盖在金属薄膜上，放入真空高温炉中升温至750~1050℃，保温2~4小时，冷却到室温取出，得到复合结构的硅片；（4）将步骤（3）获得的复合硅片放入有表面活性剂的溶剂液体中，超声搅拌10~30分钟，超声功率为300~500W，极性水分子进入金属薄膜与基底材料的界面中，通过超声空化作用，以增加金属薄膜与基底材料的摩擦，将二维纳米材料和硅烯从硅衬底上剥离，获得硅烯。2.根据权利要求1所述的一种机械剥离制备硅烯薄膜的方法，其特征在于，所述Si（111）硅片的直径为50~100mm，厚度为0.1~0.3mm。3.根据权利要求1-2所述的一种机械剥离制备硅烯薄膜的方法，其特征在于，所述清洗Si（111）硅片包括以下步骤：采用温度为80℃的SPM溶液清洗5分钟后，用去离子水冲洗，再在HF溶液中超声1分钟，去除硅片表面的氧化硅，最后用去离子水冲洗，去除HF残留液，用热氮气吹干硅片表面；所述SPM溶液为H2SO4:H2O2=1:4~5的强氧化性溶液；所述HF溶液浓度为3.5~5%；所述热氮气为纯度为99.9%的氮气，温度为80~90℃。4.根据权利要求1所述的...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈庆，曾军堂，王镭迪，
申请(专利权)人：成都新柯力化工科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51
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