一种利用常压等离子体制备二维材料的方法技术

本发明专利技术涉及一种利用常压等离子体制备二维材料的方法。该方法基于常压微等离子体技术构建一种阴极为材料晶体的剥离装置，对材料晶体进行剥离，得到二维晶体薄片。与其他剥离方法相比，本发明专利技术方法步骤简单、操作方便，短时高效，无需使用复杂昂贵的设备和额外的化学试剂，且对环境和材料表面无污染，特别适用于制备二维黑磷材料。此外，该方法在常温常压条件下即可实现，过程更易于控制，有利于工业化应用。

A method of using atmospheric pressure plasma to prepare two dimensional materials

The invention relates to a method of using a atmospheric plasma system to prepare a two-dimensional material. The method is based on atmospheric pressure micro plasma technology, and constructs a cathode stripping device for material crystals. Compared with other stripping methods, the method has the advantages of simple steps, convenient operation, short time and high efficiency, no need to use complex and expensive equipment and additional chemical reagents, and has no pollution to environment and material surface, and is especially suitable for the preparation of two-dimensional black phosphorus materials. In addition, the method can be realized under the condition of normal temperature and pressure, and the process is easier to control and is beneficial to the application of industrialization.

【技术实现步骤摘要】
一种利用常压等离子体制备二维材料的方法
本专利技术涉及二维纳米材料制备领域，特别涉及一种利用常压等离子体制备二维材料的方法。
技术介绍
二维晶体是由几层单原子层堆叠而成的纳米厚度的平面晶体，近年来，二维晶体材料因其优越的电气特性，成为半导体材料研究的新方向。黑磷(BlackPhosphorus,BP)是磷单质在常温常压下最为稳定的一种同素异形体，是一种具有天然褶皱结构的类石墨烯二维层状材料。相比于其他的二维材料，黑磷具有很多独特的优势。已有资料表明，黑磷是一种直接带隙半导体，其带隙(0.3～2.0eV)可以在很大范围内通过层数调节，实现从近红外到可见光不同波段的光吸收。同时，黑磷的载流子迁移率可以达到103cm2/(V·s)，还具有高达105的开关比。目前，黑磷在光学器件、生物医药等领域得到了广泛应用。众所周知，二维材料层间通过范德华力相互作用，层间作用力相对较弱，因此普遍可以通过机械剥离方法获得。但机械剥离法得到的材料效率低，质量不稳定。难以在产业上广泛应用。机械剥离制备少层黑磷同样产量较低，且制备的黑磷表面会有粘合剂的残留。同时，由于二维黑磷极易氧化，因此剥离方法需要在无水无氧的环境中进行。与机械剥离相比，超声液相剥离更具有规模化的应用前景，且该方法可以有效的隔绝氧气，有利于材料的储存。Brent等人首次报道出对含有黑磷的N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶液水浴超声24h，且控制温度低于30℃，可以获得少层二维黑磷(ChemCommun,2014,50,13338)。然而，超声液相剥离的时间过长，且对温度和设备的要求较高，制备条件较为苛刻。特别是因为超声波固有空化作用，致使无法制备出的大尺寸的少层黑磷。近年来，一些新的方法也被提出来。中国专利CN105110305A公开了一种超临界二氧化碳辅助制备多原子层黑磷的方法。该方法在超临界二氧化碳辅助条件下，随后进行超声液相剥离，合成原子层黑磷。但需要控制超临界装置压力为150-200bar，反应条件苛刻。中国专利CN104779380A公开了一种利用电化学制备磷烯的方法，该方法利用含有添加剂的化学电解液，在电场作用下将黑磷剥离为磷烯。但该方法不可避免的使用化学添加剂，且对电极的尺寸有所限制。中国专利文献201510553085.0公开了一种黑磷烯纳米片的制备方法，是利用高速旋转刀头产生的液相剪切力剥离黑磷晶体而制备。但整个制备过程需要在氩气的环境中完成，条件较为复杂。综上所述，为了进一步拓展二维晶体，尤其是二维黑磷的应用领域，有必要对二维材料晶体的制备方法进行改进。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是开发出一种操作简单、快速高效、条件温和、且无需额外化学添加剂的二维纳米薄片材料的制备方法。具体而言，本专利技术涉及一种利用常压等离子体制备二维材料的方法，在常温常压条件下，无需使用复杂昂贵的设备和额外的化学试剂，即可实现二维材料的快速高效制备。本方法尤其适用于制备二维黑磷材料，且由于采用的溶剂是保护黑磷常见的溶剂，而制备过程中二维黑磷被剥离至溶剂中，因此避免了空气或水的氧化作用，有利于保持二维黑磷的稳定。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种利用常压等离子体制备二维材料的方法，其特征在于，构建一种阴极为材料晶体的剥离装置，利用常压微等离子体技术来对晶体进行剥离，从而快速高效地制备二维薄片材料；所述方法具体包括如下步骤：(1)装置的构建：所述的装置由阳极、阴极、溶剂及高压电源构成；其中，阳极采用针状金属电极，并垂直置于溶剂的上方，金属电极接高压电源的正极性输出，阴极采用材料晶体，并浸入至溶剂中，接高压电源的负极性输出；且金属电极为中空结构；(2)材料的剥离：向中空的金属电极中通入惰性放电气体，然后打开直流高压电源，调节放电电压，使等离子体产生于金属电极尖端和溶剂液面之间，处理，即可得到二维薄片材料。所述材料选自黑磷、石墨烯、氮化硼、二硫化钼，二硫化钨，二硒化钨，二硫化钽，二硫化钛，二硫化铌、碲化锑或碲化铋中的任意一种。所述的溶剂为含氮类有机溶剂，优选为二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、N-乙烯基吡咯烷酮、N-辛基吡咯烷酮、1,3-二甲基-2-咪唑啉酮,N,N-二甲基甲酰胺中的一种或几种。所述的放电气体为氩气、氦气或氨气中的一种或几种。所述的阳极电极尖端距离溶剂液面的距离在0.1～5.0mm之间。所述的放电气体流量为在10～500sccm之间，优选30～300sccm。所述阳极和阴极的距离为10～50mm。所述高压电源的放电电压为300～5000V。所述等离子体处理时间为10～600s。制备的二维晶体薄片材料的平均片层厚度为1～100nm，平均尺寸为100nm～50μm。本专利技术基于常压等离子体技术，利用等离子体中的电子、离子、激发态原子以及等离子体作用于溶液形成的H+、NH4+等，对黑磷、石墨烯、氮化硼、二硫化钼，二硫化钨，二硒化钨，二硫化钽，二硫化钛，二硫化铌、碲化锑及碲化铋等材料进行快速有效的插层，造成单层或多层材料膨胀。同时，溶液在等离子体的活化作用下，可以形成并产生大量气泡，从而进一步剥离材料形成单层或少层晶体材料。在制备过程中，本专利技术可通过调控放电电压、放电间距、气体流量、电极距离等参数来控制单层或少层二维晶体材料的制备产率和速率。有益效果：与现有技术相比，本专利技术的技术方法新颖独特、绿色环保、操作简单，无需使用复杂昂贵的设备和额外的化学试剂，利用常压等离子体的特性及其与溶液的相互作用，快速高效地完成二维材料，特别是有效避免了空气或水对二维黑磷的氧化作用，尤其适用于黑磷纳米薄片材料的制备。且本专利技术可以根据不同应用领域，对晶体薄片的尺寸和层数进行调节控制，这对于二维晶体薄片及其复合材料的制备和应用具有重要的实际意义。根据本专利技术的二维纳米薄片及其复合材料，对其应用没有限制，其可以应用于目前已知的诸如光电器件、生物医学、肿瘤治疗、光伏器件等领域。并且根据其物理及化学性质本领域技术人员也容易想到将其应用于其它可能的领域。附图说明图1为实施例1中所制备的二维黑磷纳米薄片的显微镜照片。图2为实施例2中所制备的二维黑磷纳米薄片的透射电子显微镜照片。图3为实施例2中所制备的二维黑磷纳米薄片的拉曼光谱图。图4为实施例6中所制备的石墨烯纳米薄片的显微镜照片。图5为实施例6中所制备的石墨烯纳米薄片的拉曼光谱图。具体实施方式下面结合具体实施例，进一步阐述本专利技术。应理解，这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。此外应理解，在阅读了本专利技术讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本专利技术作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。实施例1一种利用常压等离子体制备二维黑磷材料的方法，是构建一种阴极为黑磷晶体剥离装置，利用常压微等离子体技术来对黑磷晶体进行剥离，从而快速高效地制备出二维黑磷纳米薄片材料。在本实施例中，采用内径0.2mm，外径1.6mm的中空不锈钢毛细管作为阳极，黑磷晶体作为阴极，N-甲基吡咯烷酮作为溶液以及直流高压电源构成制备装置。其中，阳极垂直置于溶液的上方，电极尖端距离液面0.1mm，金属电极接高压电源的正极性输出；阴极采用黑磷晶体材料，并浸入至溶液中，接高压电源的负极性输出。同时，保持阳极和阴极的距离为50mm。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用常压等离子体制备二维材料的方法，其特征在于，构建一种阴极为材料晶体的剥离装置，利用常压微等离子体技术来对晶体进行剥离，从而快速高效地制备二维薄片材料；所述方法具体包括如下步骤：(1)装置的构建：所述的装置由阳极、阴极、溶剂及高压电源构成；其中，阳极采用针状金属电极，并垂直置于溶剂的上方，金属电极接高压电源的正极性输出，阴极采用材料晶体，并浸入至溶剂中，接高压电源的负极性输出；且金属电极为中空结构；(2)材料的剥离：向中空的金属电极中通入惰性放电气体，然后打开直流高压电源，调节放电电压，使等离子体产生于金属电极尖端和溶剂液面之间，处理，即可得到二维薄片材料。

【技术特征摘要】
1.一种利用常压等离子体制备二维材料的方法，其特征在于，构建一种阴极为材料晶体的剥离装置，利用常压微等离子体技术来对晶体进行剥离，从而快速高效地制备二维薄片材料；所述方法具体包括如下步骤：(1)装置的构建：所述的装置由阳极、阴极、溶剂及高压电源构成；其中，阳极采用针状金属电极，并垂直置于溶剂的上方，金属电极接高压电源的正极性输出，阴极采用材料晶体，并浸入至溶剂中，接高压电源的负极性输出；且金属电极为中空结构；(2)材料的剥离：向中空的金属电极中通入惰性放电气体，然后打开直流高压电源，调节放电电压，使等离子体产生于金属电极尖端和溶剂液面之间，处理，即可得到二维薄片材料。2.根据权利要求1所述的一种利用常压等离子体制备二维材料的方法，其特征在于，所述材料选自黑磷、石墨烯、氮化硼、二硫化钼，二硫化钨，二硒化钨，二硫化钽，二硫化钛，二硫化铌、碲化锑或碲化铋中的任意一种。3.根据权利要求1或2所述的一种利用常压等离子体制备二维材料的方法，其特征在于，所述的溶剂为含氮类有机溶剂，优选为二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、N-乙烯基吡咯烷酮、N-辛基吡咯烷酮、1,3-二甲基-2-咪唑啉酮,N,N-二甲基甲酰胺中的一种或几种。4.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：喻学锋，高明，黄逸凡，黄浩，刘丹妮，王佳宏，
申请(专利权)人：深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：广东,44