CN114031051A - 基于机械剥离法与强碱助剂的新型二维氮化硼材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于机械剥离法与强碱助剂的新型二维氮化硼材料及其制备方法,主要解决现有材料剥离质量差、片层尺寸小,性能不理想的问题。方案包括:将氮化硼粉末与强碱混合,并施加机械力对强碱处理后的氮化硼粉末进行剥离得到的Pmma相二维氮化硼材料;制备材料的方法是将强碱加入氮化硼粉末中,使他们混合从而得到相应的混合产物溶液;对上述产生的氮化硼粉末与强碱的混合产物溶液施加外界机械力,得到施加机械力后的预处理产物,将上述预处理产物加入到水或者甲醇中,使得产物充分的分散于溶剂,得到新的混合产物溶液;通过施加机械力对新的混合产物溶液进行机械剥离,并对剥离后的产物先进行洗涤、过滤、分离、干燥等操作,得到新型二维氮化硼材料。本发明能够有效降低机械力与材料的接触,保护层状氮化硼的片层免受过大冲击力的损坏,提升剥离效果,制备的新型二维氮化硼的片层尺寸更大,且纯度、清洁度更高,可满足更严苛的电子器件性能要求。
Description
技术领域
本发明属于材料技术领域,进一步涉及氮化硼材料,具体为一种基于机械剥离法与强碱助剂的新型二维氮化硼材料及其制备方法。可用于微电子器件及其零部件的生产。
技术背景
从1957年宣布发现立方氮化硼以来,氮化硼得到了广泛的研究。长期以来,氮化硼作为最有趣的固体之一,引发了对其基本性质的大量理论和实验研究。BN可以以不同的晶体形式存在,如六方BN(h-BN)、BN纳米管(BNNTs)、纤锌矿BN(w-BN)和立方结构的BN(c-BN)等,因为它具有特定的sp2或sp3原子键合。h-BN是石墨的类似物;然而,它是一种宽带隙半导体,因此有别于半金属石墨。c-BN与金刚石是等电子的,硬度仅次于金刚石。此外,c-BN表现出远优于金刚石的化学惰性,如高熔化温度、高导热系数、宽带隙和低介电常数。随着现代科学技术的发展,由此产生了更加苛刻的半导体器件设计要求。人们需要性能更加优秀,体积更小,能耗更低的二维材料来适用于越来越严苛的使用环境。氮化硼是继石墨烯之后具有里程碑意义的层片二维材料,具有优良的电绝缘性、极好的抗氧化性、良好的生物相容性及低毒性等特点,广泛应用于半导体器件、绝缘热管理、生物医学等多个领域。
二维材料是指在层内形成共价键,在层间形成范德华键的材料。因其优异的电子、机械和表面性能而受到广泛关注,而这些性能是传统材料所不具备的。自从石墨烯被研究问世,人们对二维材料的研究热度持续上升。目前制备二维氮化硼材料的方法主要分为“自上而下”法和“自下而上”法,这两种方法都具有一定的使用条件,“自上而下”法要求制备的材料必须为层状材料,“自下而上”法则对特定条件下的所用的前驱体的化学反应具有一定的要求。“自上而下”的方法主要包括:机械剥离法、液相剥离法和离子插层剥离法。“自下而上”的方法则主要包括:化学气象沉积和水热溶剂。传统的自上而下的方法所制备的材料剥离质量差、片层尺寸小,使得最终的性能难以达到预期。当前制备出的氮化硼以立方氮化硼和六方氮化硼为主,关于新型氮化硼结构有待进一步研究。
发明内容
本发明目的在于针对上述现有技术的不足,提出一种基于机械剥离法与强碱助剂的新型二维氮化硼材料及其制备方法。本发明将氮化硼粉末与强碱混合,施加机械力对强碱处理后的氮化硼粉末进行剥离,最后通过分离、清洗、干燥等操作制备二维氮化硼材料。本发明能够有效降低机械力与材料的接触,保护层状氮化硼的片层免受过大冲击力的损坏,提升剥离效果,制备的新型二维氮化硼的片层尺寸更大,且纯度、清洁度更高。
为达到上述目的,本发明提供如下技术方案:
一种基于机械剥离法与强碱助剂的新型二维氮化硼材料,其特征在于:氮化硼晶体的晶格参数为a、b、c,其中a的取值范围在0.8001×(1-0.005)nm~0.8001×(1+0.005)nm,b的取值范围在0.7020×(1-0.005)nm~0.7020×(1+0.005)nm,c的取值范围在1.1310×(1-0.005)nm~1.1310×(1+0.005)nm;
氮化硼材料具体是将氮化硼粉末与强碱混合,并通过施加机械力对强碱处理后的氮化硼粉末进行剥离得到的Pmma相二维氮化硼材料;
上述Pmma相二维氮化硼材料为纳米多孔材料中孔径大小在0.2-2nm的微孔材料。
一种基于机械剥离法与强碱助剂的新型二维氮化硼材料的制备方法,包括如下步骤:
(1)将强碱加入到氮化硼粉末中,得到混合产物溶液;
(2)向混合产物溶液施加外界机械力,得到施加机械力后的预处理产物;
(3)将预处理产物加入到水或者甲醇中,使产物充分的分散于溶剂,得到新的混合产物溶液;
(4)通过施加机械力对新的混合产物溶液进行机械剥离,并对剥离后的产物先进行洗涤、过滤操作,随后进行分离、清洗、干燥操作,得到新型二维氮化硼材料。
本发明的有益效果:
第一、由于本发明在机械剥离二维氮化硼时加入强碱溶液,有利于打开二维氮化硼的层间距离,从而提升外加剪切机械力对层状材料的剥离效果;同时强碱溶液的加入也使得机械力与材料的直接接触减少,有效降低了材料由于机械力作用而遭受破坏的概率;
第二、本发明使用的强碱助剂与层状材料的化学反应更充分,且层状材料的内层对强碱的吸附能力弱,因此能够获取的二维氮化硼材料更为纯净。
依照本申请方法所制备的二维氮化硼片层尺寸更大,且纯度、清洁度更高,在这些优势的加持下能够更好的发挥出二维氮化硼的化学、电学等性质,从而使制备出的二维氮化硼能够满足更严苛的电子器件的使用要求。
附图说明
图1为本发明中Pmma空间群的二维氮化硼结构图;
图2为采用本发明方法的到的Pmma空间群的二维氮化硼结构的X射线衍射图。
具体实施方式
下面是结合具体实施例对本发明的技术效果进行清楚、完整的描述。基于本申请的实施例,本领域的技术人员在未付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例均属于本申请的保护范围内。
实施例一:
参照图1、图2,本发明提供的一种基于机械剥离法与强碱助剂的新型二维氮化硼材料,其特征在于:氮化硼晶体的晶格参数为a、b、c,其中a的取值范围在0.8001×(1-0.005)nm~0.8001×(1+0.005)nm,b的取值范围在0.7020×(1-0.005)nm~0.7020×(1+0.005)nm,c的取值范围在1.1310×(1-0.005)nm~1.1310×(1+0.005)nm;
氮化硼材料具体是将氮化硼粉末与强碱混合,并通过施加机械力对强碱处理后的氮化硼粉末进行剥离得到的Pmma相二维氮化硼材料;该材料属于纳米多孔材料中孔径大小在0.2-2nm的微孔材料。
纳米多孔材料(Nanoporous materials)包含有机和无机的纳米多孔材料。孔的大小一般为100纳米或更小。细分:按照IUPAC,纳米多孔材料可细分为三类:微孔材料0.2-2nm,介孔材料2-5nm,大孔材料50-1000nm。
实施例二:本实施例提供一种制备实施例一中二维氮化硼材料的方法,具体包括如下步骤:
步骤1.将强碱加入到氮化硼粉末中,得到混合产物溶液;这里的强碱为碱金属氧化物,例如氢氧化铷、氢氧化钠、氢氧化钾等;氮化硼粉末的目数为5~5000目;
所述的氮化硼粉末与所述强碱的质量比范围为:1:1~50:1。
步骤2.向混合产物溶液施加外界机械力,如研磨、球磨、砂磨、高速搅拌、超声处理等,施加机械力的时间为0.5~48小时,从而得到施加机械力后的预处理产物;
步骤3.将预处理产物加入到水或者甲醇中,使产物充分的分散于溶剂,得到新的混合产物溶液;
步骤4.通过施加机械力对新的混合产物溶液进行机械剥离,并对剥离后的产物先进行洗涤、过滤操作,随后进行分离、清洗、干燥操作,得到新型二维氮化硼材料。
分离方法包括离心、自然沉降、陶瓷膜过滤等,用于将固体部分从施加机械力后的混合溶液中分离出来。
清洗方法包括去离子水清洗、优选清洗等,用于洗去表面未反应或者未完全反应的原料。
干燥方法包括真空干燥、冷冻干燥、和喷雾干燥等,通过干燥处理得到最终的Pmma相二维氮化硼材料,其X射线衍射图如图2所示。
实施例三:本实施例的整体实现步骤同实施例二,具体给定原料、数值、操作方式等,进一步描述本发明方法的实现步骤:
1)将10g氢氧化铷粉末加入到1g氮化硼粉末中并混合均匀,从而得到相应的混合产物。
2)将上述的混合产物放入300ml氧化锆球磨罐中与150g直径为15mm和30g直径为2mm的95%的氧化锆球进行球磨,在球磨机上以600rpm的速度球磨1小时从而得到预处理产物
3)向球磨罐中加入20ml的去离子水从而得到混合溶液产物。
4)继续在600rpm的转速下持续进行15小时的球磨,球磨结束后取出球磨产物。将新得到的混合产物溶液用400ml去离子水洗涤并使用陶瓷膜过滤。随后将过滤所得固体部分重复洗涤过滤操作5次。随后在2000rpm的转速下离心15min,吸取上层清液获得氮化硼的水分散液。最后将水分散液进行真空干燥15小时获得二维氮化硼的粉末。
本实施例得到的Pmma空间群的新型氮化硼的晶格参数为a=0.8001nm,b=0.7020nm,c=1.1310nm;密度为1.1958g/cm3。
实施例四:本实施例的整体实现步骤同实施例二或三,具体给定原料、数值、操作方式等,进一步描述本发明方法的实现步骤:
A.称取15g氢氧化铷粉末与3g氮化硼粉末混合并搅拌使其混合均匀,得到混合产物。
B.将上述的混合产物放入300ml氧化锆球磨罐中与150g直径为15mm和30g直径为2mm的95%的氧化锆球进行球磨,在球磨机上以600rpm的速度球磨1小时从而得到预处理产物。
C.向球磨罐中加入20ml的去离子水从而得到混合溶液产物。
D.继续在600rpm的转速下持续进行15小时的球磨,球磨结束后取出球磨产物。对球磨产物使用500ml的去离子水洗涤,再使用陶瓷膜进行过滤,并反复重复洗涤过滤操作5次,最后在转速为2500rpm的离心机中离心15分钟,对离心后溶液进行洗去上层清液的操作得到二维氮化硼的水分散溶液。随后取100ml二维氮化硼的水分散溶液进行过滤并进行喷雾干燥得到二维氮化硼粉末。
本实施例得到的Pmma空间群的新型氮化硼的晶格参数为a=0.8258nm,b=0.7422nm,c=1.1235nm;密度为1.1969g/cm3。
实施例五:本实施例的整体实现步骤同实施例二、三或四,具体给定原料、数值、操作方式等,进一步描述本发明方法的实现步骤:
a)取15g氢氧化铷粉末与3g氮化硼粉末均匀混合从而得到混合产物。
b)将上述的混合产物放入300ml氧化锆球磨罐中与150g直径为15mm和30g直径为2mm的95%的氧化锆球进行球磨,在球磨机上以600rpm的速度球磨2小时从而得到预处理产物。
c)向球磨罐中加入20ml的去离子水从而得到混合溶液产物。
d)继续在600rpm的转速下持续进行20小时的球磨,球磨结束后取出球磨产物。对球磨产物使用500ml的去离子水洗涤,再使用微孔滤膜进行过滤,并反复重复洗涤过滤操作5次,最后在转速为2500rpm的离心机中离心15分钟,对离心后溶液进行洗去上层清液的操作得到二维氮化硼的水分散溶液。随后取100ml二维氮化硼的水分散溶液进行过滤并进行喷雾干燥得到二维氮化硼粉末。
本实施例得到的Pmma空间群的新型氮化硼的晶格参数为a=0.8240nm,b=0.7369nm,c=1.1351nm;密度为1.0739g/cm3。
实施例六:本实施例的整体实现步骤同实施例二、三、四或五,具体给定原料、数值、操作方式等,进一步描述本发明方法的实现步骤:
i.称取10g氢氧化铷粉末,将它们研磨均匀后加入到1g的氮化硼粉末中去并均匀混合。
ii.将上述的混合产物放入300ml氧化锆球磨罐中与150g直径为15mm和30g直径为2mm的95%的氧化锆球进行球磨,在球磨机上以600rpm的速度球磨1小时从而得到预处理产物。
iii.向球磨罐中加入20ml的去离子水从而得到混合溶液产物。
iv.继续在600rpm的转速下持续进行15小时的球磨,球磨结束后取出球磨产物。对球磨产物使用500ml的去离子水洗涤,再使用微孔滤膜进行过滤,并反复重复洗涤过滤操作5次,最后在转速为2500rpm的离心机中离心15分钟,对离心后溶液进行洗去上层清液的操作得到二维氮化硼的水分散溶液。随后取100ml二维氮化硼的水分散溶液进行过滤并进行喷雾干燥得到二维氮化硼粉末。
本实施例得到的Pmma空间群的新型氮化硼的晶格参数为a=0.8559nm,b=0.7689nm,c=1.1662nm;密度为1.0739g/cm3。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。
以上描述仅是本发明的几个具体实例,显然对于本领域的专业人员来说,在了解了本发明内容和原理后,都可能在不背离本发明原理、结构的情况下,进行形式和细节上的各种修正和改变,但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于机械剥离法与强碱助剂的新型二维氮化硼材料,其特征在于:氮化硼晶体的晶格参数为a、b、c,其中a的取值范围在0.8001×(1-0.005)nm~0.8001×(1+0.005)nm,b的取值范围在0.7020×(1-0.005)nm~0.7020×(1+0.005)nm,c的取值范围在1.1310×(1-0.005)nm~1.1310×(1+0.005)nm;
氮化硼材料具体是将氮化硼粉末与强碱混合,并通过施加机械力对强碱处理后的氮化硼粉末进行剥离得到的Pmma相二维氮化硼材料;
所述Pmma相二维氮化硼材料为纳米多孔材料中孔径大小在0.2-2nm的微孔材料。
2.一种基于机械剥离法与强碱助剂的新型二维氮化硼材料的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)将强碱加入到氮化硼粉末中,得到混合产物溶液;
(2)向混合产物溶液施加外界机械力,得到施加机械力后的预处理产物;
(3)将预处理产物加入到水或者甲醇中,使产物充分的分散于溶剂,得到新的混合产物溶液;
(4)通过施加机械力对新的混合产物溶液进行机械剥离,并对剥离后的产物先进行洗涤、过滤操作,随后进行分离、清洗、干燥操作,得到新型二维氮化硼材料。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于:步骤(1)所述强碱为碱金属氧化物;所述的氮化硼粉末与所述强碱的质量比范围为:1:1~50:1。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于:所述碱金属氧化物,包括氢氧化铷、氢氧化钠和氢氧化钾。
5.根据权利要求2或3所述的方法,其特征在于:所述氮化硼粉末的目数为5~5000目。
6.根据权利要求2所述的方法,其特征在于:步骤(2)中施加机械力的方式包括研磨、球磨、砂磨、高速搅拌、超声处理。
7.根据权利要求6所述的方法,其特征在于:施加机械力的时间为0.5~48小时。
8.根据权利要求2所述的方法,其特征在于:步骤(4)中所述分离,方法包括离心、自然沉降、陶瓷膜过滤,用于将固体部分从施加机械力后的混合溶液中分离出来。
9.根据权利要求2所述的方法,其特征在于:步骤(4)中所述清洗,方法包括去离子水清洗、优选清洗,用于洗去表面未反应或者未完全反应的原料。
10.根据权利要求2所述的方法,其特征在于:步骤(4)中所述干燥,方法包括真空干燥、冷冻干燥、和喷雾干燥,通过干燥处理得到最终的Pmma相二维氮化硼材料。
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WO2017193532A1 (zh) * | 2016-05-11 | 2017-11-16 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 二维纳米材料分散剂、液相剥离制备二维纳米材料的方法及其应用 |
CN112978688A (zh) * | 2021-03-15 | 2021-06-18 | 清华大学深圳国际研究生院 | 二维材料及其制备方法和应用 |
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