CN105217614B - 一种基于液相法制备二维纳米材料薄膜的方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于液相法制备二维纳米材料薄膜的方法，该方法是将二维纳米材料制备成有机溶液，并将其置于水或盐溶液的表面或内部，二维纳米材料快速地在水或盐溶液表面组装而形成大面积薄膜，该薄膜由二维纳米材料层片堆叠而成，其薄膜厚度仅为2～10nm，可以转移到任意基底上。该方法具有成本低、低能耗、制备周期短、重复性强、操作过程安全简单、制备过程对环境无污染，可用于大规模工业生产；所述薄膜透光性高，且其电阻对形变响应极为敏感，可以用作高灵敏的柔性应变传感器。

Description

一种基于液相法制备二维纳米材料薄膜的方法
技术领域
本发明涉及一种大面积快速制备二维纳米材料薄膜的方法，属于纳米材料制备技术领域。
背景技术
石墨烯的出现，开辟了基于二维纳米材料的研究新领域。由于其完美的二维单原子层结构，石墨烯等二维材料表现出了独特的电学、光学、热学和机械性能，因而在许多领域具有重要的应用前景。二维纳米材料主要包括石墨烯、氮化硼、二硫化钼、二硫化钨以及黑磷等材料；而低廉的价格和便捷的加工方法，对于二维纳米材料大规模生产至关重要。
为了实现二维纳米材料的产业化生产，二维纳米材料的尺寸和形态必须在大规模的合成中可控，所以开发出高效并且可控的生产方式对其在不同领域的应用具有重要意义。目前，二维材料宏观薄膜的制备方法主要包括化学气相沉积法和溶液组装等。化学气相沉积制备方法的主要优点之一是：二维材料薄膜性质稳定，可以形成单层厚的薄膜，光电和热学性能优异，但是该薄膜制作成本较高，并且不易进行转移。而常见的溶液组装法，往往采用旋涂、抽滤等方法，而这些方法制备的薄膜均匀性差、厚度较厚，而且制备过程中可能会引用对环境不友好的材料和化学试剂。因此，开发成本低、无污染、操作简单、能耗低的二维纳米材料薄膜制备方法，对于二维纳米材料的应用至关重要。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种二维纳米材料薄膜制备的新方法，使其能够快速地制备出大面积超薄二维纳米材料薄膜，且具有成本低、无污染、操作简单、能耗低的优点，以适用于大规模工业生产。
本发明的技术方案如下：
一种基于液相法制备二维纳米材料薄膜的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
1)配置浓度为0.1～10mg/mL的二维纳米材料有机溶液；
2)在容器底部放置转移基底，然后在容器内放入水或盐溶液；
3)将步骤1)中配置好的二维纳米材料有机溶液置于水或盐溶液表面或内部，利用容器内液体的表面张力使二维纳米材料在液相表面自组装形成具有叠层结构的二维纳米材料薄膜，该薄膜厚度为2～10nm；
4)抽去容器内的水或盐溶液，使二维纳米材料薄膜与转移基底紧密贴合，之后取出带有薄膜的转移基底，静止干燥，即得到所述的二维纳米材料薄膜。
优选地，所述二维纳米材料包括石墨烯、氮化硼、二硫化钼、二硫化钨或黑磷。
优选地，所述二维纳米材料的有机溶剂采用乙醇、丙酮或异丙醇。
优选地，所述的转移基底包括硅片、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷或者医用胶带。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性的技术效果：①该方法具有成本低、能耗低、制备周期短、重复性强、操作过程安全简单、制备过程对环境无污染，可用于大规模工业生产；②二维纳米材料薄膜厚度仅为2～10nm，在波长550nm处光学透过率达到85％～95％；③二维纳米材料薄膜制备快速，尺寸在100cm2大小的二维纳米材料薄膜可在10～20s时间内完成；④当二维纳米材料薄膜随柔性基底产生拉伸形变时，薄膜内堆叠的二维纳米材料层片发生相对滑移从而使二维纳米材料薄膜电阻发生相对变化，由此实现应变传感功能，其电阻对形变响应极为敏感，可以用作高灵敏的柔性应变传感器。
附图说明
图1是本发明制备二维纳米材料薄膜(石墨烯为例)表面光学显微镜照片。
图2是本发明制备二维纳米材料薄膜(石墨烯为例)的扫描电镜(SEM)照片。
图3是本发明制备二维纳米材料薄膜(石墨烯为例)在柔性基底的大尺寸宏观照片。
图4是本发明制备基于二维纳米材料薄膜(石墨烯为例)柔性应变传感器的应变-电阻曲线。
具体实施方式
本发明提供的一种基于液相法制备二维纳米材料薄膜的方法，该方法是以二维纳米材料为原料，配置含有二维纳米材料的低表面张力溶液，将含有二维纳米材料的低表面张力溶液加入到装有水溶液或者盐溶液的表面或内部，利用容器内液体的表面张力使二维纳米材料悬浮在液相表面并进行自组装形成二维纳米材料薄膜，该二维纳米材料薄膜可以从液体表面转移到相应所需的基材表面；其具体包括如下步骤：
1)首先配置浓度为0.1～10mg/mL的二维纳米材料有机溶液；有机溶剂可采用乙醇、丙酮或异丙醇；二维纳米材料一般为石墨烯、氮化硼、二硫化钼、二硫化钨或黑磷等；
2)在容器底部放置转移基底，然后在容器内放入水或盐溶液；转移基底可采用硅片、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷或者医用胶带等柔性基底。
3)将步骤1)中配置好的二维纳米材料有机溶液置于水或盐溶液表面或内部，二维纳米材料因表面张力的原因使二维纳米材料悬浮在液相表面并进行自组装，形成具有叠层结构的二维纳米材料薄膜，该薄膜厚度一般为2～10nm；
4)抽去容器内的水或盐溶液，使二维纳米材料薄膜与转移基底紧密贴合，之后取出带有薄膜的转移基底，静止干燥，即得到所述的二维纳米材料薄膜。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1：
1)选用0.1mg/mL石墨烯的乙醇溶液；
2)选择单晶硅为薄膜转移的基底；
3)在培养皿底部放好单晶硅基底，向培养皿中注入水，将之前配置好的石墨烯乙醇溶液用滴管延杯壁缓缓注入，此时在液相表面形成一层厚度约几个纳米厚度的均匀石墨烯薄膜；
4)用注射器抽出培养皿底部水，石墨烯薄膜与硅基材紧密贴合，将该基材取出，静止干燥，即可以得到最终产物石墨烯薄膜(如图1、2、3所示)。
实施例2：
1)选用10mg/mL石墨烯的丙酮溶液；
2)选择聚二甲基硅氧烷为薄膜转移的基底；
3)在培养皿底部放好聚二甲基硅氧烷，向培养皿中注入1mol/L的氯化钠溶液，将之前配置好的石墨烯丙酮溶液用滴管延杯壁缓缓注入，此时在液相表面形成一层厚度约几个纳米厚度的均匀石墨烯薄膜；
4)用注射器抽出培养皿底部氯化钠溶液，石墨烯薄膜与聚二甲基硅氧烷紧密贴合，将该基材取出，静止干燥，即可以得到最终产物石墨烯薄膜；
5)在石墨烯薄膜两端涂抹银胶与银导线，将石墨烯/聚二甲基硅氧烷样品置于拉伸机夹持，同时银导线链接电阻测试仪，随着拉伸机拉伸基材，电阻测试仪对石墨烯电阻可以进行实时监测(如图4所示)。
实施例3：
1)选用1mg/mL石墨烯的异丙醇溶液；
2)选择聚对苯二甲酸乙二醇酯为薄膜转移的基底；
3)在培养皿底部放好聚对苯二甲酸乙二醇酯基材，向培养皿中注入0.1mol/L的氯化钾溶液，将之前配置好的石墨烯异丙醇溶液用滴管延杯壁缓缓注入，此时在液相表面形成一层厚度约几个纳米厚度的均匀石墨烯薄膜；
4)用注射器抽出培养皿底部氯化钾溶液，石墨烯薄膜与聚对苯二甲酸乙二醇酯基材紧密贴合，将该基材取出，静止干燥，即可以得到最终产物石墨烯薄膜。
实施例4：
1)选用1mg/mL二硫化钼的异丙醇溶液；
2)选择聚酰亚胺为薄膜转移的基底；
3)在培养皿底部放好聚酰亚胺基材，向培养皿中注入水，将之前配置好的二硫化钼异丙醇溶液用滴管延杯壁缓缓注入，此时在液相表面形成一层厚度约几个纳米厚度的均匀石墨烯薄膜；
4)用注射器抽出培养皿底部水，石墨烯薄膜与硅基材紧密贴合，将该基材取出，静止干燥，即可以得到最终产物石墨烯薄膜。
实施例5：
1)选用1mg/mL二硫化钼的乙醇溶液；
2)选择医用胶带为薄膜转移的基底；
3)在培养皿底部放好单晶硅基材，向培养皿中注入水，将之前配置好的二硫化钼乙醇溶液用滴管延杯壁缓缓注入，此时在液相表面形成一层厚度约几个纳米厚度的均匀二硫化钼薄膜；
4)用注射器抽出培养皿底部水，二硫化钼薄膜与医用胶带基材紧密贴合，将该基材取出，静止干燥，即可以得到最终产物二硫化钼薄膜。
实施例6：
1)选用5mg/mL氮化硼的丙酮溶液；
2)选择单晶硅为薄膜转移的基底；
3)在培养皿底部放好单晶硅基材，向培养皿中注入水，将之前配置好的氮化硼丙酮溶液用滴管延杯壁缓缓注入，此时在液相表面形成一层厚度约几个纳米厚度的均匀氮化硼薄膜；
4)用注射器抽出培养皿底部水，氮化硼薄膜与硅基材紧密贴合，将该基材取出，静止干燥，即可以得到最终产物氮化硼薄膜。
实施例7：
1)选用1mg/mL二硫化钨的异丙醇溶液；
2)选择单晶硅为薄膜转移的基底；
3)在培养皿底部放好单晶硅基材，向培养皿中注入水，将之前配置好的二硫化钨异丙醇溶液用滴管延杯壁缓缓注入，此时在液相表面形成一层厚度约几个纳米厚度的均匀二硫化钨薄膜；
4)用注射器抽出培养皿底部水，二硫化钨薄膜与硅基材紧密贴合，将该基材取出，静止干燥，即可以得到最终产物二硫化钨薄膜。
实施例8：
1)选用5mg/ml黑磷的乙醇溶液；
2)选择聚对苯二甲酸乙二酯为薄膜转移的基底；
3)在培养皿底部放好聚对苯二甲酸乙二酯，向培养皿中注入水，将之前配置好的黑磷乙醇溶液用滴管延杯壁缓缓注入，此时在液相表面形成一层厚度约几个纳米厚度的均匀黑磷薄膜；
4)用注射器抽出培养皿底部水，黑磷薄膜与聚对苯二甲酸乙二酯紧密贴合，将该基材取出，静止干燥，即可以得到最终产物黑磷薄膜。

Claims (3)

1.一种基于液相法制备二维纳米材料薄膜的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
1)配置浓度为0.1～10mg/mL的二维纳米材料有机溶液，所述二维纳米材料包括石墨烯、氮化硼、二硫化钼、二硫化钨或黑磷；
2)在容器底部放置转移基底，然后在容器内放入水或盐溶液；
3)将步骤1)中配置好的二维纳米材料有机溶液置于水或盐溶液表面或内部，利用容器内液体的表面张力使二维纳米材料在液相表面自组装形成具有叠层结构的二维纳米材料薄膜，该薄膜厚度为2～10nm；
4)抽去容器内的水或盐溶液，使二维纳米材料薄膜与转移基底紧密贴合，之后取出带有薄膜的转移基底，静止干燥，即得到所述的二维纳米材料薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种基于液相法制备二维纳米材料薄膜的方法，其特征在于，所述二维纳米材料的有机溶剂为乙醇、丙酮、异丙醇。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于液相法制备二维纳米材料薄膜的方法，其特征在于，所述的转移基底包括硅片、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷或者医用胶带。
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