本发明专利技术提供了一种具有有序褶皱应变结构的二维材料及其制备方法和用途。所述制备方法包括如下步骤：在热塑性高分子薄膜上镀金属层，形成金属/热塑性高分子双层薄膜；通过激光直写，在所述金属/热塑性高分子双层薄膜上刻写出预设图案，得到图案化的金属/热塑性高分子双层薄膜；将二维材料转移至所述图案化的金属/热塑性高分子双层薄膜的金属层上，形成二维材料/金属/热塑性高分子三层薄膜；将所述二维材料/金属/热塑性高分子三层薄膜加热至所述热塑性高分子薄膜的玻璃化转变温度±50℃，热处理后得到所述具有有序褶皱应变结构的二维材料。本发明专利技术提供的方法成功实现了在二维材料上形成有序、可控的应变结构。
【技术实现步骤摘要】
一种具有有序褶皱应变结构的二维材料及其制备方法和用途
本专利技术属于二维材料
，具体涉及一种具有有序褶皱应变结构的二维材料及其制备方法和用途。
技术介绍
二维材料是由单层或少数层原子或者分子层组成的材料，层内由较强的共价键或离子键连接，而层间则由作用力较弱的范德瓦尔斯力结合。二维材料具有很多传统材料所不具备的独特的光电性能，特别是其卓越的非线性光学特性在构筑高性能、新功能光电子器件方面已经展示了巨大的潜力。目前，二维材料主要有石墨烯(Graphene)、拓扑绝缘体(TI)、过渡金属硫系化合物(TMDCs)、黑磷(BP)等。应变是二维材料的一个常见的伴生物，无论在机械剥离法制备二维材料、化学气相沉积(CVD)法生长制备二维材料，还是二维材料的转移等过程中，都会在二维材料上引入无序的褶皱结构。应变会对二维材料的物理化学性质产生非常重要的影响，如在二维材料上实现有序应变可以用来调制其能带结构、光学带隙、荧光光谱强度和峰位、疏水性及光学透过率等物理化学特性。为了研究和调控褶皱应变效应，在二维材料上获得设计可控、高度有序的应变结构是十分重要的。此外，具有有序褶皱应变结构的二维材料也可在能带结构调制、材料结构相变调制、柔性电极、可拉伸的电子产品、传感器以及能量存储器件中得到广泛的应用。然而，目前尚无在二维材料上制备大面积有序褶皱应变结构的有效方法。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种具有有序褶皱应变结构的二维材料及其制备方法和用途。该制备方法实现了在二维材料上形成有序褶皱应变结构。为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：第一方面，本专利技术提供一种具有有序褶皱应变结构的二维材料的制备方法，包括如下步骤：(1)在热塑性高分子薄膜上镀金属层，形成金属/热塑性高分子双层薄膜；(2)通过激光直写，在步骤(1)得到的金属/热塑性高分子双层薄膜上刻写出预设图案，得到图案化的金属/热塑性高分子双层薄膜；(3)将二维材料转移至步骤(2)得到的图案化的金属/热塑性高分子双层薄膜的金属层上，形成二维材料/金属/热塑性高分子三层薄膜；(4)将步骤(3)得到的二维材料/金属/热塑性高分子三层薄膜加热至所述热塑性高分子薄膜的玻璃化转变温度±50℃范围，热处理后得到所述具有有序褶皱应变结构的二维材料。步骤(2)中，当一个激光脉冲打在金属/热塑性高分子双层薄膜上时，被激光打过的点会发生一个微小的结构变化，导致该点模量改变，当进一步对其加热至热塑性高分子薄膜的玻璃化温度附近时，在热应力的作用下，此点会发生一个点状凸起状塑性形变结构，从而带动该处的二维材料产生相应的应变结构。由于任何复杂应变结构都可以由一系列应变点组成，因而可以将此点状应变结构作为激光诱导应变的基本单元。采用激光在金属/热塑性高分子双层薄膜上按照设计的路径进行刻写，形成预设图案，再经过后续的热处理步骤，即可在二维材料上形成有序的褶皱应变结构。需要说明的是，本专利技术中所述“有序褶皱应变结构”是指预设的应变结构。本专利技术步骤(4)中所述热塑性高分子薄膜的玻璃化转变温度±50℃范围是指在热塑性高分子薄膜的玻璃化转变温度(Tg)之下(以“-”表示)或之上(以“+”表示)50℃范围，即(Tg-50℃)～(Tg+50℃)。步骤(4)中所述热处理的温度与所述热塑性高分子薄膜的玻璃化转变温度的差值可以是-50℃、-45℃、-40℃、-35℃、-30℃、-25℃、-20℃、-15℃、-10℃、-5℃、0℃、+5℃、+10℃、+15℃、+20℃、+25℃、+30℃、+35℃、+40℃、+45℃或+50℃等。若热处理的温度过低，则金属/热塑性高分子双层薄膜的塑性变形较小，甚至难以发生变形，不利于二维材料上应变结构的形成；若热处理的温度过高，则可能导致金属/热塑性高分子双层薄膜上未激光刻写的部位也发生变形，使二维材料上的应变结构偏离预期。作为本专利技术的优选技术方案，所述二维材料为石墨烯、过渡金属硫化物、六方氮化硼或拓扑绝缘体等层状二维材料。其中，过渡金属硫化物类二维材料有MoS2(二硫化钼)、WS2(二硫化钨)等。作为本专利技术的优选技术方案，步骤(1)中所述热塑性高分子薄膜的厚度为500nm-2μm；例如可以是500nm、600nm、700nm、800nm、900nm、1μm、1.2μm、1.5μm、1.8μm或2μm等。优选地，步骤(1)中所述热塑性高分子薄膜的材料为PS(聚苯乙烯)、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PDMS(聚二甲基硅氧烷)或PVC(聚氯乙烯)，进一步优选为PS。本专利技术对于制备所述热塑性高分子薄膜的方法没有特殊限定，示例性地，可以采用如下方法：在清洗干净的基片(如硅片)上滴几滴浓度为5-10wt％的热塑性高分子溶液，置于匀胶机上旋涂至所需厚度，然后在50-60℃下烘干6h以上，去除溶剂和薄膜内的残余应力，得到热塑性高分子薄膜。优选地，步骤(1)中所述金属层的厚度为5-20nm，例如可以是5nm、6nm、7nm、8nm、9nm、10nm、11nm、12nm、13nm、14nm、15nm、16nm、17nm、18nm、19nm或20nm等；优选为5-10nm。若金属层的厚度过小，则容易导致形成的金属层不连续，缺陷处的二维材料无法形成应变结构；若金属层的厚度过大，则影响激光刻写图案的效果，不利于二维材料上应变结构的形成。作为本专利技术的优选技术方案，步骤(1)中所得金属层的材料为Au(金)、Ag(银)、Al(铝)、Sn(锡)或Ti(钛)等金属，优选为Au。优选地，步骤(1)中所述镀金属层的方法为电子束蒸发、热蒸发或离子束溅射，进一步优选为离子束溅射。作为本专利技术的优选技术方案，步骤(2)中所述激光直写采用的激光的功率为2-5mW，例如可以是2mW、2.2mW、2.5mW、2.8mW、3mW、3.2mW、3.5mW、3.8mW、4mW、4.2mW、4.5mW、4.8mW或5mW等；脉宽为100-200ns，例如可以是100ns、110ns、120ns、130ns、140ns、150ns、160ns、170ns、180ns、190ns或200ns等。作为本专利技术的优选技术方案，步骤(3)中所述转移的方法为：在所述二维材料上覆盖牺牲层，然后去除所述二维材料的载体材料，得到牺牲层/二维材料双层薄膜；将所述牺牲层/二维材料双层薄膜的二维材料层与步骤(2)得到的图案化的金属/热塑性高分子双层薄膜的金属层贴合，得到牺牲层/二维材料/金属/热塑性高分子四层薄膜；去除所述牺牲层，得到所述二维材料/金属/热塑性高分子三层薄膜。需要说明的是，由于二维材料的厚度只有一层或几层原子层或分子层，因此通常生长在载体材料上，针对不同的二维材料可能采用不同的载体材料，本领域技术人员可根据实际情况选择合适的方法去除载体材料。优选地，所述牺牲层的材料为聚丙撑碳酸酯(PPC)。本专利技术中，牺牲层的作用一方面是作为二维材料的转移媒介，另一方面是对二维材料起到保护作用。本专利技术对于在二维材料上覆盖牺牲层的方法没有特殊限定，示例性地，可以将牺牲层材料配制成合适浓度的溶液，然后用匀胶机旋涂在二维材料上。优选地，去除所述牺牲层的方法为采用酒精溶解。作为本专利技术的优选技术方案，步骤(4)中所述热处理的时间为10-20min；例如可以本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种具有有序褶皱应变结构的二维材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：(1)在热塑性高分子薄膜上镀金属层，形成金属/热塑性高分子双层薄膜；(2)通过激光直写技术，在步骤(1)得到的金属/热塑性高分子双层薄膜上刻写出预设图案，得到图案化的金属/热塑性高分子双层薄膜；(3)将二维材料转移至步骤(2)得到的图案化的金属/热塑性高分子双层薄膜的金属层上，形成二维材料/金属/热塑性高分子三层薄膜；(4)将步骤(3)得到的二维材料/金属/热塑性高分子三层薄膜加热至所述热塑性高分子薄膜的玻璃化转变温度±50℃，热处理后得到所述具有有序褶皱应变结构的二维材料。
【技术特征摘要】
1.一种具有有序褶皱应变结构的二维材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：(1)在热塑性高分子薄膜上镀金属层，形成金属/热塑性高分子双层薄膜；(2)通过激光直写技术，在步骤(1)得到的金属/热塑性高分子双层薄膜上刻写出预设图案，得到图案化的金属/热塑性高分子双层薄膜；(3)将二维材料转移至步骤(2)得到的图案化的金属/热塑性高分子双层薄膜的金属层上，形成二维材料/金属/热塑性高分子三层薄膜；(4)将步骤(3)得到的二维材料/金属/热塑性高分子三层薄膜加热至所述热塑性高分子薄膜的玻璃化转变温度±50℃，热处理后得到所述具有有序褶皱应变结构的二维材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述二维材料为石墨烯、过渡金属硫化物、六方氮化硼或拓扑绝缘体。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述热塑性高分子薄膜的厚度为500nm-2μm；优选地，步骤(1)中所述热塑性高分子薄膜的材料为PS、PMMA、PDMS或PVC，进一步优选为PS；优选地，步骤(1)中所述金属层的厚度为5-20nm，优选为5-10nm。4.根据权利要求1-3任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所得金属层的材料为Au、Ag、Al、Sn或Ti，优选为Au；优选地，步骤(1)中所述镀金属层的方法为电子束蒸发、热蒸发或离子束溅射，进一步优选为离子束溅射。5.根据权利要求1-4任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述激光直写采用的激光的功率为2-5mW，脉宽为100-200ns。6.根据权利要求1-5任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述转移的方法为：在所述二维材料上覆盖牺牲层，然后去除所述二维材料的载体材料，得到牺牲层/二维材料双层薄膜；将所述牺牲层/二维材料双层薄膜的二维材料层与步骤(...
【专利技术属性】
技术研发人员：王聪，刘前，杜乐娜，张浩然，张心正，
申请(专利权)人：国家纳米科学中心，
类型：发明
国别省市：北京,11
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