纳米多孔薄膜及其制造方法技术

公开了一种制造纳米多孔薄膜的方法。该方法提供包括原子级薄材料层和聚合物层的复合膜，并接着以高能粒子撞击该复合膜，以形成至少穿过该原子级薄材料层的多个孔隙。纳米多孔薄膜还具有原子级薄材料层和相邻于该石墨烯层的一侧的聚合物膜层，该原子级薄材料层具有从中穿过的多个孔。聚合物膜层具有从中穿过的多个扩大的孔隙，该多个扩大的孔隙与多个孔对齐。所有扩大的孔隙可与所有孔同心对齐。在一个实施方式中，原子级薄材料层为石墨烯。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利说明】相关申请的交叉引用本申请要求于2013年3月13日提交的第61/779，098号临时申请的优先权，其内容通过引用被并入本文。
—般而言，本专利技术设计纳米多孔薄膜及用于制造该薄膜的方法。更具体地，本专利技术涉及由原子级薄材料层和聚合物膜制成的纳米多孔薄膜，其中，纳米尺寸的孔设置在该原子级薄层中，并且同心纳米尺寸或微米尺寸的孔设置在该聚合物膜中。
技术介绍
操纵用于纳米技术组件的单个原子的能力持续发展。这些发展的中的一些属于材料领域，且特别是原子级薄材料，其可使用单一分子组件或所选择的分子组件的组合。这种材料的一个示例是石墨烯，其为二维芳香族碳聚合物，二维芳香族碳聚合物具有众多的应用，范围从电子存储器、蓄电器、复合增强、薄膜等。其它的原子级薄材料被认为具有其自身的有益特性。原子级薄材料的一个非限制性示例为石墨烯。石墨烯薄膜是单原子层厚度的碳原子层，结合在一起以限定片体。可称为层或片的单石墨烯薄膜的厚度约为0.2到0.3纳米(nm)厚，或在本文中有时称为“薄”。石墨烯层的碳原子限定由六个碳原子构成的六边形环状结构(苯环)的重复图案，其形成碳原子的蜂巢式晶格。间隙孔由片体中的每六个碳原子环状结构形成，并且该间隙孔宽度小于I纳米。事实上，本领域技术人员将理解的是，间隙孔被认为在其最长尺寸上宽约0.23纳米。因此，除非有穿孔，否则间隙孔的尺寸及配置以及石墨烯的电子性质排除了跨越石墨烯厚度的任何分子的运输。最近的发展已聚焦在石墨烯薄膜上，该石墨烯薄膜用于用作诸如咸水脱盐的应用中的过滤薄膜。这种应用的一个示例公开于第8，361，321号美国专利中，其通过引用并入本文。由于石墨烯的这些各种使用以及其它原子级薄材料的发展，需要制造具有纳米或微米尺寸的孔或洞的材料和支撑衬底。因为薄膜通常必须是非常薄的以允许在整个薄膜的厚度中保持这样小的孔隙尺寸，所以具有0.1到1nm孔隙尺寸的纳米多孔薄膜是难以制造的。因此，承担孔隙的薄膜必需支撑在较厚的多孔衬底上，以使最后的复合薄膜具有足够的机械强度。制造这种复合薄膜的当前方法使用穿孔的石墨烯(厚度约I纳米)作为活性薄膜材料，并且使用多孔聚碳酸酯膜(厚度约5到10微米)作为支撑衬底。在这两层中的每一层上的孔已经被制造之后，这两层被匹配到另一个上。在两衬底中的孔没有彼此定位或对齐，因此通过复合膜的流动受到重叠的孔的统计量的限制。换言之，基于一致地对齐于多孔聚碳酸酯膜的孔的石墨烯薄膜材料中孔的随机排列，通过复合膜的流动受到限制。匹配穿孔的原子级薄材料(例如，石墨烯)与多孔聚碳酸酯膜以产生用于纳米过滤的复合薄膜被认为提供了超越其它过滤型薄膜的改进。其它的纳米多孔薄膜由较厚的聚合物膜制成，该聚合物膜具有进行纳米尺度排除的曲折路径，但是由于其厚度，它们一般会具有极低的渗透性。因此，在本领域中需要提供具有对齐的同心孔的具有原子级薄材料层和聚合物层的纳米多孔薄膜。此外，在本领域中需要提供穿过原子级薄材料层和聚合物膜层的同心孔的纳米多孔薄膜，其中，穿过聚合物膜层的孔的直径实质上比穿过原子级薄材料层的孔的直径大。
技术实现思路
根据上述情况，本专利技术的第一方面提供。本专利技术的另一方面提供用于制造纳米多孔膜的方法，其包括提供含有原子级薄材料层及聚合物膜的复合膜，以及以高能粒子撞击复合膜，以形成至少穿过原子级薄材料层的多个孔隙。上述实施方式的另一方面提供选择高能粒子以形成穿过原子级薄材料层及聚合物膜的多个孔隙，以使得聚合物膜化学功能化。上述实施方式的又一方面提供蚀刻聚合物膜，以在聚合物膜中形成多个扩大的孔隙。上述实施方式的再一方面提供多个扩大的孔隙中的每个，以使得它们基本上与穿过原子级薄材料层的多个孔隙中的一个对齐。上述实施方式的再一方面提供穿过原子级薄材料层的多个孔隙，其尺寸范围从0.5nm到约10nm，其中，多个扩大的孔隙的尺寸范围从1nm到lOOOnm，并且其中，多个扩大的孔隙以使得其具有大于多个孔隙的直径。方法还可包括控制撞击和蚀刻，以使得多个扩大的孔隙具有大于多个孔隙的直径。上述实施方式的又一方面提供用于将所述原子级薄材料层设置为碳材料的单原子层，或将所述原子级薄材料层设置为碳材料的多原子层。方法还可包括从含有石墨烯、少层石墨烯、二硫化钼、氮化硼、六方晶氮化硼、二砸化铌、硅烯(silicene)和锗烯(germanene)的组中选择原子级薄材料。方法的又一方面是利用聚碳酸酯作为聚合物膜。方法的另一方面是提供多孔聚合物膜作为复合膜的一部分。在该方法的另一模式中，高能粒子可被选择，以便为聚合物膜留下朝向孔隙扩大化学惰性。并且，方法可包括，在撞击期间，将原子级薄材料层化学结合至聚合物膜。或方法可撞击原子级薄材料层，以形成仅穿过原子级薄材料层的多个孔隙。且方法可提供穿过原子级薄材料层的多个孔隙，该多个空隙的尺寸范围从约0.5nm 到约 10nm。本专利技术的又一方面是提供一种纳米多孔薄膜，其包括原子级薄材料层，其具有从中穿过的多个孔，以及相邻于原子级薄材料层的一侧的聚合物膜层，聚合物膜层具有从中穿过的多个扩大的孔隙，其中多个扩大的孔隙与多个孔对齐。在上述方面的一个变形中，薄膜可被建构为使得多个孔的直径范围可从0.5nm到10nm，并且其中，多个扩大的孔隙的直径范围从1nm到lOOOnm。并且多个扩大的孔隙可具有大于多个孔的直径。在上述方面的另一变形中，薄膜可被建构为使得多个扩大的孔隙可具有大于多个孔的直径。在上述方面的又一变形中，薄膜可被建构为使得原子级薄材料层在多个孔的边缘化学结合至聚合物膜。并且上述方面的又一变形是薄膜可被建构为使得基本上多个扩大的孔隙中的全部均与多个孔同心对齐。上述方面的又一变形是原子级薄材料层可选自含有石墨烯、少层石墨烯、二硫化钼、氮化硼、六方晶氮化硼、二砸化铌、硅烯和锗烯的组。【附图说明】结合以下的说明、所附权利要求及附图，本专利技术的这些及其它特征与优点将变得更好理解。附图可以或可以不按比例绘制，并且某些零件的比例可出于说明方便而被放大。图1是根据本专利技术的概念的用最初非多孔的聚合物膜来制造纳米多孔薄膜的过程的示意图；以及图2是根据本专利技术的概念的用最初多孔的聚合物膜来制造纳米多孔薄膜的过程的示意图。【具体实施方式】现在参照图1，可看到形成纳米多孔薄膜的方法一般用数字10来表示。首先，提供复合膜12，其中膜12包括原子级薄材料，其以压到非多孔聚合物膜16的层14的形式存在。复合膜12可通过在热压制造操作中将原子级薄材料层14层压到聚合物膜16提供，其中膜12和层14被带到一起并升高到足够的温度，以使得至少提供膜12和层14之间的最小互连力。可使用其它方法来形成复合膜12。在以下呈现的实施方式中，原子级薄材料为石墨烯。可用于层14的其它原子级薄材料包括但不限于少层石墨烯、二硫化钼、氮化硼、六方晶氮化硼、二砸化铌、硅烯和锗烯。在一个实施方式中，且如上所述，石墨烯层为单原子层厚度的碳原子层，结合在一起以限定片体。可称为层或片的单石墨烯薄膜的厚度约为0.2到0.3纳米(nm)。在一些实施方式中，可形成具有较大厚度和相应的较大强度的多石墨烯层。当薄膜生长或形成时，多石墨烯片体可设置为多层。或者，多石墨烯片体可通过将一层石墨烯层层叠或设置于另一石墨烯层的顶部实现。对本文中公开的所有实本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制造纳米多孔薄膜的方法，包括：提供包括原子级薄材料层和聚合物膜的复合膜，以及以高能粒子撞击所述复合膜，以形成至少穿过所述原子级薄材料层的多个孔隙。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：兰德尔·M·斯蒂尔伯格，彼得·V·拜德沃斯，斯科特·E·海斯，史蒂文·W·西恩特，
申请(专利权)人：洛克希德马丁公司，
类型：发明
国别省市：美国;US