CN108910954A - 一种二维材料及其剥离方法和应用 - Google Patents

一种二维材料及其剥离方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于半导体材料技术领域，公开了一种二维材料及其剥离方法和应用，所述二维材料是将聚集诱导发光分子和具有多层结构固体材料混合，加入溶剂研磨后，再加入溶剂超声，离心过滤制得。所述具有多层结构固体材料为石墨、六方氮化硼、过渡金属硫族化物、过渡金属硒化物、过渡金属氧化物或黑磷。该方法具有剥离时间短、操作过程简单、重复性高等优点，而且制备的二维材料的层状保持单层或者少层、片层面积大等特点，能够直接用于制备半导体光电器件。

Description

一种二维材料及其剥离方法和应用
技术领域
本发明属于半导体材料技术领域，更具体地，涉及一种二维材料及其剥离方法和应用。
背景技术
石墨烯的发现不仅丰富了碳材料的家族体系，还为我们开辟了一个全新的研究领域--2D(二维)材料。在过去的十年里，科学家发现了许多2D材料，如磷烯、过渡金属二硫属化合物等(2D)材料。作为有代表性的2D材料，包括石墨烯和层状过渡金属二硫化物(TMD，如MoS2或WS2等)和过渡金属氧化物(TMO，如WO3等)、六方氮化硼(h-BN)等。由于其在厚度方向从三维层状块体降维到单层或少层纳米片会产生许多奇异的物理性质，这些性质有望激发下一代的科技革新。例如：单层二维材料是直接带隙半导体(块体材料是间接带隙半导体)，所以具备了强荧光发射能力。此外，原子层厚度使得单层材料拥有了较高的激子结合能(>1eV)。
通常，2D材料的制备来自于片层堆积的三维(3D)固体，由于片层是通过弱范德华力堆积，因而科学家可以通过机械、化学或是电化学方法从这些多层结构中剥离出其2D形式。然而，对于缺少这种多层结构的晶体，至今还没有明确的方法从中剥离出二维材料。而且，目前报道的方法，用于剥离二维材料也仅仅限于实验室应用，无法做到大规模的生产单层或者少层的二维材料。
2001年，唐本忠院士发现了一个反常的光物理现象，表性的发光物质如四苯基乙烯(TPE)，六苯基甲硅烷(HPS)在溶液状态下几乎观察不到荧光发射，二在聚集态或者固态，却发射出强烈荧光，此现象被定义为聚集诱导发光(简称AIE)，并提出AIE材料的工作机制：比如典型的HPS(六苯基噻咯)AIE荧光分子。在溶液状态下，HPS分子外围的苯环可以通过单键绕中心的噻咯自由旋转，这个过程以非辐射的形式消耗了激发态的能量，导致荧光减弱甚至不发光；但是在聚集状态下，HPS分子的“螺旋桨”式的构型可以防止π-π堆积，抑制荧光猝灭；同时由于空间限制，HPS分子内旋转受到了很大阻碍，这种分子内旋转受限抑制了激发态的非辐射衰变渠道，打开了辐射衰变渠道，从而使荧光增强。所以这种基于AlEgens的新型分子旋转模型，我们可以用于大规模生产单层或者少层的二维材料。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的不足和缺点，提供一种二维材料。
本发明的另一目的在于提供上述二维材料剥离方法。该方法剥离过程简单、重复性高等特点，能够生产单层或者少层的二维材料，有利于大规模生产克级别的二维材料。
本发明的再一目的在于提供上述二维材料的应用。
本发明的目的通过下述技术方案来实现：
一种二维材料，所述二维材料是将聚集诱导发光分子和具有多层结构固体材料混合，加入溶剂研磨后，再加入溶剂超声，离心过滤制得。
优选地，所述聚集诱导发光分子和具有多层结构固体材料的质量比为1:(0.1～50)；所述聚集诱导发光分子和具有多层结构固体材料的总质量与溶剂的体积比为1g：(1～200)mL，所述溶剂为甲醇、乙醇或水。
优选地，所述研磨的时间为1～100mins，所述超声的时间为10～100min。
优选地，所述聚集诱导发光分子为1,8-二(4-(1,2,2-三苯基乙烯基)萘及其衍生物或四苯基乙稀基衍生物。
优选地，所述1,8-二(4-(1,2,2-三苯基乙烯基)萘的分子结构式如式(Ⅰ)所示：
所述1,8-二(4-(1,2,2-三苯基乙烯基)萘衍生物的分子结构式如式(Ⅱ)，式(Ⅲ)所示：
所述四苯基乙稀基衍生物为1,1,2,2-四芳香烃基乙烯基取代衍生物，其分子结构式如式(Ⅳ)所示：
其中，R选自具有5至30个碳原子的取代芳香烃、具有6至50个环原子的芳氧基、具有5至30个碳原子的芳香胺、具有含有6至20个碳原子的硼芳烃或具有5至40个环原子的芳族杂环基团中的一种；R1为含有一个或者多个苯环并联的芳香烃取代基。
更为优选地，所述R1为苯环、萘环、蒽环或芘环取代基。
优选地，所述具有多层结构固体材料为石墨、六方氮化硼、过渡金属硫族化物、过渡金属硒化物、过渡金属氧化物或黑磷。
优选地，所述过渡金属硫族化物为MoS2或/和WS2，所述过渡金属硒化物为WSe2、InSe2或MoSe2中的一种以上；所述过渡金属氧化物为WO3、MnO2、MoO3或LaNb2O7中的一种以上。
所述的二维材料的剥离方法，包括如下步骤：
S1.将聚集诱导发光分子和具有多层结构固体材料混合，加入溶剂研磨后，
S2.再加入溶剂超声，离心过滤，制得多层结构固体材料相应的二维材料。
所述的二维材料在催化、半导体光电器件领域中的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过构建具有聚集诱导发光性质的荧光分子，使其一端为具有平面结构(如：萘环)，而另一端是能有效旋转的取代基团(如：四苯基乙烯)。这类分子能够有效的插入二维材料的层间，旋转的取代基团能够辅助破坏二维材料的弱相互作用，进而实现二维材料的有效剥离，获得大量、大面积、单层或少层的二维材料。相比于现有的剥离二维材料的方法，此类方法具有剥离时间短、操作过程简单、重复性高等优点，而且制备的二维材料的层状保持单层或者少层、片层面积大等特点，能够直接用于制备半导体光电器件。
附图说明
图1为实施例1合成1,8-二(4-(1,2,2-三苯基乙烯基)萘(TPENA)的路线。
图2为实施例1制得的1,8-二(4-(1,2,2-三苯基乙烯基)萘的1H NMR谱图。
图3为实施例1制得的1,8-二(4-(1,2,2-三苯基乙烯基)萘的13CNMR谱图。
图4为实施例1制得的1,8-二(4-(1,2,2-三苯基乙烯基)萘的质谱。
图5为实施例1制得的1,8-二(4-(1,2,2-三苯基乙烯基)萘的A)荧光光谱及其B)随水含量荧光强度变化的AIE曲线。
图6为本发明剥离二维材料的流程示意图。
图7为实施例2中用1,8-二(4-(1,2,2-三苯基乙烯基)萘诱导发光分子辅助剥离的二硫化钼材料的SEM照片。
图8为实施例2中用1,8-二(4-(1,2,2-三苯基乙烯基)萘诱导发光分子辅助剥离的二硫化钼材料的TEM照片。
图9为实施例2中利用1,8-二(4-(1,2,2-三苯基乙烯基)萘诱导发光分子辅助剥离的二硫化钼材料的AFM。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
实施例1 1,8-二(4-(1,2,2-三苯基乙烯基)萘的制备
在氮气保护的条件下，将1,8-二溴蒽和TPE苯基硼酸酯(摩尔比为1：2.5)，四(三苯基膦)钯、碳酸钾加入单颈瓶中，然后加适量的甲苯和乙醇，强力搅拌，保持温度为90℃，回流24h，萃取、洗涤过滤获得初产物，经柱层析色谱或重结晶，得到高纯度的1,8-二(4-(1,2,2-三苯基乙烯基)萘，其合成路线如式图1所示。图2为本实施例制得的1,8-二(4-(1,2,2-三苯基乙烯基)萘聚集诱导发光材料的1H NMR谱图。图3为本实施例得到1,8-二(4-(1,2,2-三苯基乙烯基)萘的13C NMR图。图4为本实施例得到1,8-二TPE取代萘的质谱图。从图1-图4中可知，利用铃木反应成功制备了1,8-二(4-(1,2,2-三苯基乙烯基)萘有机发光材料。图5为本实施例得到1,8-二(4-(1,2,2-三苯基乙烯基)萘的A)荧光光谱及其B)随水含量荧光强度变化的AIE曲线。从图5中可知，该化合物具有聚集诱导发光特性。
实施例2二硫化钼的剥离
图6为本发明剥离二维材料的流程示意图。本发明剥离的方法如下：将实施例1所得的1,8-二(4-(1,2,2-三苯基乙烯基)萘(0.1～5g)和具有多层结构的二硫化钼(0.5g～5g)混合，加入20mL乙醇研磨1h，随后加入一定体积的乙醇(10～100mL)超声1～100分钟，然后离心过滤，获得少层或者单层的二硫化钼。
图7为本实施例中用1,8-二(4-(1,2,2-三苯基乙烯基)萘诱导发光分子辅助剥离的二硫化钼材料的电子扫描SEM照片，图8为本实施例中用1,8-二(4-(1,2,2-三苯基乙烯基)萘诱导发光分子辅助剥离的二硫化钼材料的TEM照片。从图7和8中可知，分散体中的大部分是薄层二硫化钼，说明聚集诱导分子能够剥离二硫化钼。图9为本实施例中利用1,8-二(4-(1,2,2-三苯基乙烯基)萘诱导发光分子辅助剥离的二硫化钼材料的AFM图谱。从图9中可知，1,8-二(4-(1,2,2-三苯基乙烯基)萘聚集诱导发光材料处理的二硫化钼纳米片的平均厚度分别为5.33nm，说明该聚集诱导发光分子辅助剥离的二维材料只有3～5层，且表面光滑。
实施例3二硒化钨的剥离
将聚集诱导发光分子和具有多层结构的二硒化钨按照质量比1：0.1，加入1mL乙醇研磨1min，随后加入一定体积的乙醇10mL超声10分钟，然后离心过滤，获得少层或者单层的二硒化钨。目标材料利用AFM和TEM等测试手段进行表征，目标材料只有单层或少层。
实施例4二硒化钨的剥离
将聚集诱导发光分子和具有多层结构的二硒化钨按照质量比1：10，加入10mL乙醇研磨100min，随后加入一定体积的乙醇100mL超声100分钟，然后离心过滤，获得少层或者单层的二硒化钨。目标材料利用AFM和TEM等测试手段进行表征，目标材料只有单层或少层。
实施例5硒化镓的剥离
将聚集诱导发光分子和具有多层结构的硒化镓按照质量比1：(0.1～10)，加入1～10mL乙醇研磨1～100mins，随后加入一定体积的乙醇(10～100mL)超声10～100min，然后离心过滤，获得少层或者单层的硒化镓。目标材料利用AFM和TEM等测试手段进行表征，目标材料只有单层或少层。
实施例6氧化钨的剥离
将聚集诱导发光分子和具有多层结构的氧化钨按照质量比1：0.1，加入10mL乙醇研磨100mins，随后加入一定体积的甲醇100mL超声50min，然后离心过滤，获得少层或者单层的氧化钨。目标材料利用AFM和TEM等测试手段进行表征，目标材料只有单层或少层。
实施例7 LaNb2O7的剥离
将聚集诱导发光分子和具有多层结构的LaNb2O7按照质量比1：0.1，加入10mL乙醇研磨50min，随后加入一定体积的甲醇100mL超声60min，然后离心过滤，获得少层或者单层的LaNb2O7。目标材料利用AFM和TEM等测试手段进行表征，目标材料只有单层或少层。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合和简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种二维材料，其特征在于，所述二维材料是将聚集诱导发光分子和具有多层结构固体材料混合，加入溶剂研磨后，再加入溶剂超声，离心过滤制得。
2.根据权利要求1所述的二维材料，其特征在于，所述聚集诱导发光分子和具有多层结构固体材料的质量比为1：(0.1～50)；所述聚集诱导发光分子和具有多层结构固体材料的总质量与溶剂的体积比为1g：(1～200)mL，所述溶剂为甲醇、乙醇或水。
3.根据权利要求1所述的二维材料，其特征在于，所述研磨的时间为1～100mins，所述超声的时间为10～100min。
4.根据权利要求1所述的二维材料，其特征在于，所述聚集诱导发光分子为1,8-二(4-(1,2,2-三苯基乙烯基)萘及其衍生物或四苯基乙稀基衍生物。
5.根据权利要求4所述的二维材料，其特征在于，所述1,8-二(4-(1,2,2-三苯基乙烯基)萘的分子结构式如式(Ⅰ)所示：
所述1,8-二(4-(1,2,2-三苯基乙烯基)萘衍生物的分子结构式如式(Ⅱ)或式(Ⅲ)所示：
所述四苯基乙稀基衍生物为1,1,2,2-四芳香烃基乙烯基取代衍生物，其分子结构式如式(Ⅳ)所示：
其中，R选自具有5至30个碳原子的取代芳香烃、具有6至50个环原子的芳氧基、具有5至30个碳原子的芳香胺、具有含有6至20个碳原子的硼芳烃或具有5至40个环原子的芳族杂环基团中的一种；R1为含有一个或者多个苯环并联的芳香烃取代基。
6.根据权利要求5所述的二维材料，其特征在于，所述R1为苯环、萘环、蒽环或芘环取代基。
7.根据权利要求1所述的二维材料，其特征在于，所述具有多层结构固体材料为石墨、六方氮化硼、过渡金属硫族化物、过渡金属硒化物、过渡金属氧化物或黑磷中的一种以上。
8.根据权利要求7所述的二维材料，其特征在于，所述过渡金属硫族化物为MoS2或/和WS2，所述过渡金属硒化物为WSe2、InSe2或MoSe2中的一种以上；所述过渡金属氧化物为WO3、MnO2、MoO3或LaNb2O7中的一种以上。
9.根据权利要求1-8任一项所述的二维材料的剥离方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.将聚集诱导发光分子和具有多层结构固体材料混合，加入溶剂研磨后，
S2.再加入溶剂超声，离心过滤，制得多层结构固体材料相应的二维材料。
10.权利要求1-8任一项所述的二维材料在半导体光电器件中的应用。
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