KR102300073B1 - 나노입자 템플릿을 이용한 템플릿 활용 2d 나노시트 합성 - Google Patents

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Abstract

2D 나노시트 합성을 위한 템플릿 보조 방법은 나노시트 성장을 위한 템플릿으로 작용하는 나노입자 기질의 표면 상에 2D 물질을 성장시키는 단계를 포함한다. 이어 2D 나노시트는 템플릿 표면으로부터, 예를 들어 화학적 인터칼레이션 및 박리를 통해 방출되고, 정제되고, 템플릿는 재사용 될 수 있다.

Description

나노입자 템플릿을 이용한 템플릿 활용 2D 나노시트 합성
관련 출원에 대한 상호 참조:
본 출원은 2016년 12월 30일자로 출원된 미국 가출원 제62/440,745호의 우선권 이익을 주장하며, 그 내용은 본원에 인용에 의해 포함된다.
연방 후원 연구 또는 개발에 관한 진술: 해당 사항 없음
본 발명은 일반적으로 나노입자에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 템플릿을 사용하여 2 차원(2D) 적층 물질 (또는 "나노시트")의 합성에 관한 것이다.
37 CFR 1.97 및 1.98 규정에 따른 정보를 포함하는 관련 기술의 설명
그래파이트의 기계적 박리를 통한 그래핀의 격리(isolation) [K.S. Novoselov, A.K. Geim, S.V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S.V. Dubnos, I.V. Grigorieva and A.A. Firsov, Science, 2004, 306, 666]는 2 차원(2D) 층상 물질(layered material)들에 강한 관심을 불러 일으켰다. 그래핀의 특성에는 경량이고 유연하며 투명하면서도 뛰어난 강도와 높은 전기 및 열 전도성이 포함된다. 이것은 고속 트랜지스터 및 센서, 차단 물질(barrier material), 태양 전지, 배터리 및 복합 물질을 포함하여 광범위한 잠재적 응용 분야의 가능성을 열어준다.
관심 대상이 되는 2D 물질의 다른 부류는 전이금속 디칼코게나이드(TMDC, transition metal dichalcogenide) 물질, 육각형(hexagonal) 붕소 질화물(h-BN) 및 14족 원소에 기초한 물질, 예컨대 실리신(silicene) 및 게르마닌(germanene)을 포함한다. 이들 물질의 특성은 반금속성 물질 예를 들면, NiTe2 및 VSe2에서 반도체 예를 들면 WSe2 및 MoS2 및 절연체, 예를 들면, h-BN 까지 다양하다.
TMDC 물질의 2D 나노시트는 촉매 작용에서 감지, 에너지 저장 및 광전자 소자에 이르기까지 응용 분야에서 점점 더 관심의 대상이 되고 있다.
TMDC 단분자층(monolayer)은 MX2 (M은 전이금속 원자(Mo, W 등)이고 X는 칼코겐 원자(S, Se 또는 Te))형태로 원자 두께를 나타낸다. M 원자의 단일층(single layer)이 X 원자의 두 개의 층 사이에 샌드위치 된다. MoS2 단분자층은 6.5Å 두께이다. 2D TMDC 중에서, 반도체인 WSe2 및 MoS2가 특히 관심 대상인데, 왜냐하면 이들은 벌크 특성을 유지하면서도, 물질의 치수가 단분자층 또는 몇 개 분자층(few layer)으로 감소할 때 양자 구속 효과에 기인한 추가 특성이 발생하기 때문이다. WSe2 및 MOS2의 경우, 단일 단분자층(single monolayer)으로 두께가 감소할 때, 강한 여기자 효과와 함께 간접 - 직접 밴드갭 전이의 발휘를 포함한다. 이것은 PL (photoluminescence, 광발광) 효율을 크게 향상시켜 광전자 소자에 적용할 수 있는 새로운 기회를 열어준다. 관심 있는 다른 물질로는 WS2 및 MoSe2가 있다.
그래핀의 발견은 거시적 차원의 벌크 결정이 하나의 원자 층까지 얇아질 때 새로운 물리적 특성이 어떻게 나타날지를 설명한다. 그래파이트와 마찬가지로, TMDC 벌크 결정은 반데르발스(van der Waals) 인력에 의해 서로 결합된 단분자층으로 형성된다. TMDC 단분자층은 반금속 그래핀의 특성과 분명히 다른 성질을 갖는다. 예를 들어, TMDC 단분자층들인 MoS2, WS2, MoSe2, WSe2, MoTe2는 직접 밴드갭(direct band gap)을 가지며 전자장치에서는 트랜지스터로 광학장치에서는 방출체(emitter) 및 검출기로 사용할 수 있다. 원소 주기율표 4족 내지 7족 TMDC는 주로 층상 구조로 결정화되어, 전기적, 화학적, 기계적 및 열적 특성에서 이방성을 나타낸다. 각 층은 공유 결합을 통해 칼코겐 원자의 2개의 층 사이에 샌드위치 된 금속 원자의 육각형으로 밀집된(packed) 층을 포함한다. 이웃한 층들은 반데르발스 인력에 의해 약하게 결합되어 있으며, 기계적 또는 화학적 방법으로 쉽게 단분자층 및 몇개 분자층 구조를 만들 수 있다.
TMDC 단분자층 결정 구조는 반전 중심(inversion center)가 없어, 전하 캐리어의 새로운 자유도, 즉 k-밸리 인덱스(k-valley index)에 대한 액세스를 허용하고 새로운 물리학 분야, 즉 "밸리트로닉스(valleytronics)"를 열 수 있다.
TMDC 단분자층에서의 강한 스핀-궤도 결합은 전도대에서 수 meV, 가전자대에서 수백 meV의 스핀-궤도 분할을 야기하며 이는 여기 레이저 광자 에너지를 조정함으로써 전자 스핀의 제어를 허용한다.
TMDC 단분자층에 대한 연구는 직접 밴드갭의 발견 및 전자 및 밸리 물리학에서의 잠재적인 응용 이후의 떠오르는 연구 및 개발 분야이다. TMDC는 반데르발스 헤테로 구조 소자를 만들기 위해 그래핀 및 육각형 붕소 질화물 같은 다른 2D 물질과 결합될 수 있다.
반도체는 그 밴드갭보다 크거나 같은 에너지를 갖는 광자를 흡수할 수 있다. 이것은 더 짧은 파장의 빛이 흡수된다는 것을 의미한다. 반도체는, 전도대 에너지의 최소값이 가전자대의 최대값과 k-공간에서 동일한 위치에 있는 경우, 즉 밴드갭이 직접 밴드갭이면, 전형적으로 효율적인 방출체이다. 벌크 TMDC 물질의 밴드갭은 2개 단분자층 두께까지 여전히 간접 밴드갭이므로, 단분자층상 물질(monolayered material)에 비해 방출 효율이 낮다. 방출 효율은 벌크 물질보다 TMDC 단분자층이 약 104배 더 크다. TMDC 단분자층의 밴드갭은 가시 범위 (400nm와 700nm 사이)에 있다. 직접 방출은 스핀-궤도 결합 에너지에 의해 분리된 A 및 B 라 불리는 두 개의 전이를 보여준다. 가장 낮은 에너지와 따라서 강도에서 가장 중요한 것은 A 방출이다. 직접 밴드갭으로인해 TMDC 단분자층은 광전자 응용 분야에서 유망한 물질이다.
다중층(multilayer) 형태에서, MoS2는 몰리브덴의 주요 광석인 광물 몰리브데나이트(mineral molybdenite)로서 발생하는 은빛 흑색 고체이다. MoS2는 비교적 반응하지 않는다. 희석된 산과 산소에 영향을 받지 않는다. MoS2는 외관과 느낌이 흑연과 비슷하다. 낮은 마찰 특성과 견고성으로 인해 고체 윤활제로 널리 사용된다. TMDC로서 MoS2는 그래핀의 바람직한 특성 (기계적 강도 및 전기 전도성)을 나타내며, 빛을 방출하여 광 검출기 및 트랜지스터와 같은 가능한 응용 분야를 열어둔다.
고성능 응용 분야에 있어서, 평탄하고 무결점인 물질이 요구되는 반면, 전지 및 슈퍼 커패시터의 응용 분야에서는 결함, 공공(void) 및 공동(cavity)이 바람직하다.
단분자층 및 몇 개 분자층 2D 나노시트는 "하향식" 및 "상향식" 방법을 사용하여 제조될 수 있다. 하향식 방법은 벌크 물질로부터 기계적 또는 화학적으로 층을 제거하는 것을 포함한다. 이러한 기술은 기계적 박리, 초음파-보조 액상 박리(LPE) 및 인터칼레이션(intercalation)(삽입) 기술을 포함한다. 상향식 방법은 구성 원소들로부터 층들이 성장하여 2D 층들이 형성되는 방식으로서, 고온 주입(hot-injection) 방법을 포함하는 용액 기반 방법뿐만 아니라 화학 기상 증착(CVD), 원자층 증착(ALD) 및 분자빔 에피택시(MBE)를 포함한다.
2D 나노시트를 합성하기 위한 다수의 접근법이 종래 기술에 기재되어 있으며, 그 중 가장 일반적인 것은 기계적 박리, LPE 및 CVD를 포함하며, 주로 고온주입을 이용하는 용액 기반 접근법에 대한 소수의 보고가 있다. 기계적 박리는 높은 결정 플레이크(flake)를 제공하지만, 공정은 수율이 낮고, 두께 제어가 불량하고, 확장축소 가능성(scalability)이 불가능하다. LPE는 2D 나노시트 생산에 대한 확장축소 가능한(scalable) 경로를 제공하며 다른 기술보다 덜 위험한 화학 물질을 사용하여 대기 조건(ambient condition)에서 수행될 수 있다. 그러나 기계적 박리와 마찬가지로, 낮은 반응 수율과 함께 두께 제어가 불량하고, 작은 플레이크들을 생성한다. 불량한 반응 수율은 또한 CVD 합성의 전형이다. 이 방법의 장점으로는 대면적 확장축소 가능성, 균일성 및 두께 제어가 있다. 그러나 생성된 물질의 품질은 기계적으로 박리된 플레이크의 품질에 필적하지 않으며, 이렇게 생성된 플레이크는 전형적으로 작고 장기간의 안정성이 낮다. 용액 기반의 합성 방법은 관심이 증가하고 있으며 생성되는 2D 물질의 크기, 모양 및 균일성을 제어할 수 있는 잠재력이 있다. 그러나 원하는 결정학 상, 조정 가능하고 좁은 크기 및 형태 분포를 가지며 휘발성 리간드로 보호된(capped) 플레이크 생성하는 확장축소 가능한 합성 방법을 제공하기 위해서는 추가 개선이 요구된다.
준-코어/쉘 나노입자를 형성하기 위한 ZnO 상의 단일층(single layer) 그래핀의 성장은 문헌 손 등에 의해 서술되었다[D.I. Son, B.W. Kwon, D.H. Park, W.-S. Seo, Y. Yi, B. Angadi, C.-L. Lee and W.K. Choi, Nat. Nanotechnol., 2012, 7, 465]. 그러나, ZnO 표면에서 그래핀 나노시트들의 격리(isolation)에 대한 논의는 없었다.
MoS2는 다중층 형태가 단분자층으로 변환될 때 간접 밴드갭에서 직접 밴드갭으로 전이하는 물질의 예이다. 개별 단분자층들의 합성은 단분자층의 크기가 제어될 필요가 있을 경우에는 특히 어려운데 밴드갭에도 영향을 미치기 때문이다. 최근에 단분자층으로 쪼개져 따라서 어느 정도 제어가 가능한 QD(양자점)이 형성되었다. 그러나 이 방법은 다른 크기의 시트를 생성한다. 더욱이, 모든 QD가 동일한 크기가 아니어서 분산도는 더욱 커지게 된다. 개별 단분자층 시트를 얻는 방법은 2단계 공정, 첫 번째 QD 형성 및 두 번째 단분자층 인터칼레이션을 통해 개별 시트를 형성함을 포함한다.
따라서, 물질의 크기, 형상 및 균일성에 대한 고도의 제어를 제공하는 2D 나노시트의 합성의 확장축소 가능한 방법에 대한 필요성이 존재한다.
여기에서, 나노시트 성장을 위한 템플릿으로서 작용하는 기질의 표면 상에 2D 나노시트가 성장하는, 2D 나노시트의 템플릿 보조 방법이 기재되어 있다. 2D 나노시트는 예를 들어 화학적 인터칼레이션 및 박리를 통해 템플릿 표면으로부터 방출될 수 있으며, 상기 템플릿은 재사용 될 수 있다.
일 실시 예에서, 2D 나노시트를 제조하는 방법은 나노입자 템플릿을 제공하는 단계, 나노입자 템플릿의 표면 상에 2D 나노시트를 성장시키는 단계, 나노입자 템플릿의 표면으로부터 2D 나노시트를 제거하는 단계, 및 나노입자 템플릿으로부터 2D 나노시트를 분리(separate)하는 단계를 포함한다.
일 실시 예에서, 나노입자 템플릿은 제 1 결정 구조를 갖는 물질을 포함하고 2D 나노시트는 제 2 결정 구조를 갖는 물질을 포함하며, 제 1 결정 구조와 제 2 결정 구조 사이의 격자 부정합은 약 5% 이하 예를 들어, 약 3% 이하이다.
일 실시 예에서, 나노입자 템플릿은 육각형(hexagonal) 결정 구조를 갖는다.
일 실시 예에서, 나노입자 템플릿은 반도체 나노입자, 금속 나노입자, 금속 산화물 나노입자 또는 중합체 나노입자 일 수 있다. 일 실시 예에서, 나노입자 템플릿은 양자점이다. 또 다른 일 실시 예에서, 나노입자 템플릿은 나노피라미드이다.
일 실시 예에서, 2D 나노시트는 2D 나노플레이크(nanoflake)이다. 또 다른 실시 예에서, 2D 나노시트는 2D 양자점이다.
일 실시 예에서, 2D 나노시트는 전이금속 디칼코게나이드 나노시트이다.
일 실시 예에서, 2D 나노시트는 인터칼레이션 및 박리를 통해 또는 초음파 처리를 통해 나노입자 템플릿의 표면으로부터 제거될 수 있다.
2D 나노시트는 용매 극성 정제와 같은 크기-선택 분리 기술을 통해 나노입자 템플릿으로부터 분리될 수 있다.
일 실시 예에서, 전이금속 디칼코게나이드 나노시트는 ZnO 나노입자 템플릿 상에 성장된다.
도 1은 일 실시 예에 따른 2D 나노시트의 템플릿-보조 성장 프로세스를 도시하는 개략도이다.
도 2는 ZnO 나노입자 템플릿들 (실선) 및 실시 예 1의 기질-결합 MoS2 물질 (파선)의 UV-vis 흡수 스펙트럼이다.
도 3은 ZnO 템플릿들의 고해상도 투과 전자 현미경 사진이다.
도 4는 실시 예 1의 기질-결합 MoS2 물질 (회색 라인) 및 실시 예 1에서 제조된 물-정화 MoS2 물질 (실선)의 라만 스펙트럼이다.
도 5는 실시 예 1에서 제조된 기질-결합 MoS2 나노시트의 고해상도 투과 전자 현미경 사진이다.
도 6은 실시 예 1에서 추출된 물질 분획의 자외선 흡수 스펙트럼 및 광 발광 (PL) 스펙트럼이다.
도 7은 실시 예 1에 있어서 물 (하부), 아세토니트릴 (중간) 및 톨루엔 (상부)에서 추출된 물질 분획의 UV- 흡수 흡수 (실선) 및 PL (파선) 스펙트럼이다.
도 8은 실시 예 1에서 제조된 물-정화 MoS2 물질의 투과 전자 현미경 사이다.
도 9는 N2 (원) 및 산성화 (삼각형)하에 저장될 때의 시간에 따른 물에서 추출된 실시 예 1의 물질 분획의 양자 수율 (QY)의 산포 그래프이다.
10은 PL 수명을 측정하는 데 사용되는, 산-처리 나노시트의 시간-분해 PL 스펙트럼의 단일 지수 조정(exponential fit)이다.
도 11은 신선한 (추출된 직후) 나노시트와 산성화된 나노시트의 UV-vis 흡수 스펙트럼의 비교를 나타낸다.
본 명세서에서, 나노시트 성장을 위한 템플릿(template)으로서 작용하는 기질(substrate)의 표면 상에 2D 나노시트가 성장하는 2D 나노시트(nanosheet)들의 템플릿-보조 방법이 기재되어있다. 2D 나노시트들은 예를 들어 화학적 인터칼레이션(intercalation) 및 박리를 통해 템플릿 표면으로부터 방출될 수 있으며, 템플릿들은 재사용 될 수 있다. 어떤 실시 예들에 따른 2D 나노시트들의 템플릿-보조 성장 과정이도 1에 예시되어있다.
본원에 사용된 용어 "2D 나노시트"는 원자 또는 분자의 단분자층(monolayer) 1 내지 10개의 두께를 갖는 입자를 기술하는데 사용되며, 측면 치수(lateral dimension)는 두께보다 크다. 용어 "나노입자"(nanoparticle)는 대략 1 내지 100nm 정도의 크기를 갖는 입자를 기술하는데 사용된다. 용어 "양자점"(quantum dot, QD)은 양자 구속 효과를 나타내는 반도체 나노입자를 기술하는 데 사용된다. QD의 치수는 일반적으로 1 내지 20nm 사이이지만 다른 크기도 가능하다. "나노입자"와 "양자점"은 입자의 형상을 제한하지 않는다. 용어 "2D 나노입자"는 대략 1 내지 100nm 정도의 측면 치수(lateral dimension) 및 1 내지 10개의 원자 또는 분자 층의 두께를 갖는 입자를 기술하는데 사용되고, 측면 치수는 두께보다 크다. 용어 "2D 나노플레이크"(2D nanoflake)는 대략 1 내지 100nm 정도의 측면 치수 및 1 내지 5개의 원자 또는 분자의 단분자층의 두께를 갖는 입자를 기술하는데 사용된다.
나노입자 템플릿의 형상 및 조성은 제한되지 않는다. 일 실시 예에서, 나노입자 템플릿은 반도체 나노입자를 포함한다. 다른 실시 예에서, 나노입자 템플릿은 금속 산화물 나노입자를 포함한다. 다른 실시 예에서, 나노입자 템플릿은 금속 나노입자를 포함한다. 다른 실시 예에서, 나노입자 템플릿은 중합체 나노입자를 포함한다. 특정 실시 예에서, 나노입자 템플릿는 QD를 포함한다.
적합한 템플릿 물질은 다음을 포함할 수 있다:
예를 들어,
12-16족(Ⅱ-Ⅵ) 반도체 물질 예를 들어 ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, HgS, HgSe 및 HgTe;
13-15족(III-V) 반도체 물질 예를 들어 BP, AlP, AlAs, AlSb, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InN, InP, InAs, InSb, AlN 및 BN;
13-14족(III-IV) 반도체 물질, 예를 들어 B4C, Al4C3 및 Ga4C;
13-16족(III-VI) 반도체 물질, 예컨대 Al2S3, Al2Se3, Al2Te3, Ga2S3, Ga2Se3, In2S3, In2Se3, Ga2Te3 및 In2Te3; 및
14-16족(IV-VI) 반도체 물질, 예를 들어, SnS, SnS2, SnSe, SnTe, PbS, PbSe 및 PbTe;
I-III-VI 반도체 물질, 예를 들어, CuInS2, CuInSe2, CuGaS2, CuGaSe2, AgInS2 및 AgInSe2;
를 포함하여 여기에 한정되지 않는 반도체 물질;
상기 반도체 물질의 도핑된 유도체 및 합금;
금속 나노입자, 예를 들어 Cu, Au, Ag 및 Pt;
산화물 나노입자, 예를 들어 TiO2, SiO2 및 ZrO2; 그리고,
중합체 나노입자, 예를 들어 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE).
ALD 코팅이 나노입자의 표면에 적용되는 경우, 표면 코팅은 무기 물질 (예: Al2O3), 유기 물질 (예: 폴리에틸렌 글리콜) 또는 무기-유기 하이브리드 물질 (예: 알루미늄 알콕사이드(aluminium alkoxide) "알루콘"(alucone) 중합체).
일 실시 예에서, 제조될 나노시트 물질은 2D 층상 물질(layered material)을 포함한다. 적절한 예에는 다음이 포함되지만 이에 국한되지는 않는다:
그래핀;
그래핀 산화물 및 환원된 그래핀 산화물;
전이금속 디칼코게나이드 예를 들면 WO2, WS2, WSe2, WTe2, MnO2, MoO2, MoS2, MoSe2, MoTe2, NiO2, NiTe2, NiSe2, VO2, VS2, VSe2, TaS2, TaSe2, RuO2, RhTe2, PdTe2, HfS2, NbS2, NbSe2, NbTe2, FeS2, TiO2, TiS2, TiSe2, ZrS2;
전이금속 트리칼코게나이드 예를 들어, TaO3, MnO3, WO3, ZrS3, ZrSe3, HfS3 및 HfSe3;
13-16족 (III-VI) 화합물 예를 들어 InS, InSe, GaS, GaSe 및 GaTe;
15-16족 (V-VI)화합물 예를 들어, Bi2Se3 및 Bi2Te3;
질화물, 예를 들어, h-BN;
산화물 예를 들어 LaVO3, LaMnO3, TiO2, MnO2, V2O5, TaO3, RuO2, MnO3, WO3, LaNbO7, Ca2Nb3O10, Ni(OH)2 및 Eu(OH)2;
층상 구리 산화물; 운모류(micas); 및 비스무트 스트론튬 칼슘 구리 산화물(BSCCO);
인화물(phosphide), 예를 들어, Li7MnP4 및 MnP4;
실리신(silicene); 게르마닌(germanene); 및 스타닌(stanene).
이들 물질 내에서, 인접 층들은 템플릿 표면으로부터 나노시트들을 제거하기 위한 인터칼레이션 및 박리와 같은 기술에 의해 쉽게 파괴될 수 있는 반데르발스 인력에 의해 함께 결합하고 있다.
특정 실시 예는 나노입자 템플릿 상에 2D TMDC 나노시트를 합성하는 방법을 포함한다. 일 실시 예에서, 나노입자 템플릿 물질은 균일한 나노시트 쉘의 단분자층 성장을 가능하게 하도록, 육각형 결정 구조 및 나노시트 물질에 대한 낮은 격자 부정합(lattice mismatch)을 가진다. 그렇지 않으면, 과도한 변형으로 결함이 생기거나 심지어는 완전히 개별적인 입자 성장이 일어날 수 있다.
MoS2의 경우, 육각형의 ZnO에 대한 격자 부정합이 약 3%이다. 신중히 조건을 제어함으로써, 단분산, 넓은 밴드갭, ZnO 나노입자 코어 템플릿들이 만들어질 수 있고, MoS2의 단분자층이 그 위에 에피택셜 성장(epitaxial growth)하여 MoS2로 인해 발광을 제공한다. ZnO의 나노입자 코어 크기를 제어함으로써 외측 MoS2의 크기 (및 따라서 밴드갭)를 제어할 수 있고, 이에 따라서 광범위한 광발광(photoluminescence, PL)의 코어/쉘 구조를 제공할 수 있다. 형성된 후 나노시트는 ZnO 나노입자 표면에서 제거될 수 있고 ZnO 나노입자 템플릿은 재사용될 수 있다.
MoS2의 성장의 경우, 결정 격자에서 만곡(curvature)이 간접 밴드갭을 야기할 수 있는 것으로 믿어지고 있다. 따라서, 일 실시 예에서, 2D 나노시트가 나노피라미드형상(nanopyramid)의 나노입자 상에 성장하여 나노시트 성장을 위한 평평한 표면을 제공한다. ZnO 나노피라미드의 성장은 Chen 등에 의해 이전에 서술되었다(Y. Chen, M. Kim, G. Lian, M. Johnson and X. Peng, J. Am. Chem. SOC., 2005, 127, 13331).
다른 2D 쉘(shell) 물질은 MoS2를 대신하여 사용될 수 있다. 관심 있는 특정 물질은 MoSe2, WS2 및 WSe2 같은 단분자층 발광 가진 것들이다. MoS2에 대해 낮은 격자 부정합 및 유사한 격자 구조를 갖는 다른 코어(core) 구조 또는 합금이 사용될 수 있다.
그러나 템플릿의 형상은 나노 피라미드에 한정되지 않는다. 다른 실시 예에서, 2D 나노시트는 곡면을 갖는 템플릿 상에 성장된다. 적합한 템플릿의 예는 반도체 물질의 구형 나노입자 또는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)과 같은 중합체의 구형 나노입자를 포함한다. 구형 템플릿의 사용은 템플릿의 표면으로부터 형성된 나노시트의 떼어냄(lifting) 및 제거를 도울 수 있다.
다른 실시 예에서, 2D 나노시트들은, 원자층증착(ALD)에 의해 증착된 물질의 층을 포함하는 템플릿 표면 상에 성장한다. ALD는 고도의 균일두께 코팅(conformal coating)을 제공하므로 ALD로 코팅된 표면을 가진 템플릿은 2D 나노시트 성장을 위해 고도로 균일한 기질(substrate)을 제공하여 매우 균일하고 결함이 없는 나노시트의 합성을 가능하게한다.
일 실시 예에서, 나노입자 템플릿은 제 1 결정 구조를 갖는 물질을 포함하고, 나노시트는 제 2 결정 구조를 갖는 물질을 포함하며, 제 1 결정 구조 및 제 2 결정 구조는 낮은 격자 부정합을 나타낸다. 일 실시 예에서, 제 1 결정 구조와 제 2 결정 구조 사이의 격자 부정합은 약 5% 이하, 예를 들어, 약 3% 이하이다. 낮은 격자 부정합은 템플릿의 표면 상에 나노시트의 에피택셜 성장을 용이하게 하고 템플릿과 2D 나노시트 사이의 계면에서의 변형(strain)을 방지하는 것을 도울 수 있기 때문에, 바람직 할 수 있다.
일 실시 예에서, 2D 나노시트는 2D 나노플레이크이다. 일 실시 예에서, 2D 나노시트는 2D QD이다. QD는 "양자 구속 효과" (quantum confinement effect) - 반도체 나노입자의 치수가 보어 반경의 2배 이하로 감소하면 에너지 레벨이 양자화되어 이산 에너지 레벨을 발생시킴 - 에서 비롯된 독특한 광학적, 전자적 및 화학적 특성으로 인해 광범위하게 연구되어왔다. 반도체 나노입자의 크기가 보어 반경의 2배 이하로 감소하면 에너지 레벨이 양자화되어 이산 에너지 레벨을 발생시킨다. 밴드갭은 입자 크기가 감소함에 따라 증가하여 크기 의존 광발광 (photoluminescence)과 같은 크기-가변(size-tunable) 광학, 전자 및 화학적 특성을 야기한다. 더욱이, 2D 나노플레이크의 측면 치수를 양자 구속 영역(regime) 내로 감소시키는 것은 2D 나노플레이크의 층수 및 측면 치수 모두에 의존하는 또 다른 독특한 특성을 야기할 수 있다는 것을 밝혔다. 일 실시 예에서, 2D 나노플레이크의 측면 치수는 양자 구속 영역일 수 있으며, 이 경우 나노플레이크의 광학, 전자 및 화학적 특성은 측면 치수를 변경함으로써 조작될 수 있다. 예를 들어, 측면 치수가 대략 10nm 이하인 MoSe2 및 WSe2와 같은 물질의 금속 칼코게나이드 단분자층 나노플레이크는 여기될 때 크기-가변 방출과 같은 특성을 나타낼 수 있다. 이것은 나노플레이크의 측면 치수를 조작함으로써 2D 나노플레이크의 전장발광 최대치(electroluminescence maximum, ELmax) 또는 광발광 최대치(PLmax)를 조정할 수 있게 한다. 본원에서 사용되는 "2D 양자점" 또는 "2D QD"는 양자 구속 영역의 측면 치수 및 1 내지 5개의 원자 또는 분자의 단분자층 두께를 갖는 반도체 나노입자를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 "단일-층상 양자점"(single-layered quantum dot) 또는 "단일-층상 QD"는 양자 구속 영역의 측면 치수 및 단일의 단분자층의 두께를 갖는 반도체 나노입자를 지칭한다. 종래의 QD와 비교하여, 2D QD는 훨씬 더 큰 표면적 대 체적비(surface area-to-volume ratio)를 가지며, 이는 단분자층의 수가 감소함에 따라 증가한다. 가장 큰 표면적 대 체적 비율은 단일-층상 QD에서 나타난다. 그에 따라 종래의 QD와는 표면 화학이 완전히 다른 2D QD로 이어질 수 있고, 촉매 작용과 같은 응용 분야에 이용될 수 있다.
템플릿의 치수를 변화시킴으로써, 표면 상에 성장하는 나노시트의 측면 치수가 변형되어, 나노시트의 방출 파장에 대한 제어가 가능해진다.
나노입자 템플릿들을 제조하는 방법은 제한되지 않는다. 템플릿 표면에 나노시트들을 제조하는 방법은 제한되지 않는다. 일 실시 예에서, 하나 이상의 나노시트 전구체는, 상기 하나 이상의 나노시트 전구체가 템플릿들의 표면 상에 나노시트들로 전환이 되도록 하는 조건에서, 템플릿들의 용액에 첨가된다. 형성된 상태의 나노시트들은 이후에 템플릿 표면으로부터 제거되어 템플릿들로부터 분리(separate)될 수 있다.
형성된 상태의 나노시트는 임의의 적합한 기술에 의해 템플릿 표면으로부터 제거될 수 있다. 일 실시 예에서, 나노시트들은 인터칼레이션 및 박리 공정에 의해 템플릿 표면으로부터 제거된다. 인터칼레이션 및 박리 공정은 당해 기술 분야에 잘 알려져 있으며, 본 출원인에 의해 계류중인 미국 특허 출원 제15/631,323호 (2017년 6월 23일자 출원)에 기술되어 있으며, 이는 본 명세서에 인용에 의해 포함된다. 인터칼레이션 및 박리 공정은 층간 거리를 확장시키기 위해 층상 물질(layered material)에 인터칼레이션제(intercalating agent)를 첨가한 다음, 층들을 분리시키는 박리 공정을 수반한다. 일 실시 예에서, 인터칼레이션 공정은 하나 이상의 1차 아민, 예를 들어, 헥실 아민 및/또는 프로필 아민의 존재하에, 기질-결합 (템플릿-나노시트) 물질을 교반(stirring)하는 것을 포함한다. 또한, 실시 예에서, 박리 공정은 아세토니트릴 (이에 한정되는 것은 아님)과 같은 용매 중에서 인터칼레이션 공정이 진행된 기질-결합 (템플릿-나노시트) 물질을 교반하는 것을 포함한다. 또 다른 실시 예에서, 나노시트들은 초음파 처리를 통해 템플릿 표면으로부터 제거된다.
나노시트들은 이후 템플릿들로부터 분리(separate)되도록 정제(purification)될 수 있다. 선택적으로, 크기-선택 분리(size-selective separation) 기술은 유사한 치수 (따라서 유사한 방출 특성)를 갖는 나노시트들을 격리(isolate)하는데 사용될 수 있다. 크기-선택 분리 기술의 비 제한적인 예는 용매 극성 정제; 크기-선택 침전; 칼럼 크로마토그래피; 및 투석.
놀랍게도, 산성화(acidification) 단계를 포함하는 후-처리(post-treatment)가 나노시트들의 광 발광 양자 수율 (PLQY)을 증가시킬 수 있다는 것이 밝혀졌다.
나노시트들의 응용은 광 발광 응용 (photoluminescence applications); 전장 발광 응용; 광전지 응용; 촉매 작용; 센서; 헤테로 구조 장치; 전계효과 트랜지스터 및 광 검출기와 같은 장치에 사용을 포함한다. 나노시트들은 또한 생물학적 영상화 (biological imaging)와 같은 생물학적 응용 분야에서 사용하기 위해 그 표면이 기능화될 수 있다.
실시 예 1: ZnO 템플릿들상의 MoS 2 나노시트들의 템플릿 보조 성장(Template-Assisted Growth of MoS 2 Nanosheets on ZnO Templates)
ZnO 템플릿 합성
옥타데칸 16g 및 스테아린산 아연(zinc stearate) 0.506g (0.8mmol)을 혼합하고, 105℃에서 1시간 동안 탈기시켰다. 옥타데칸 4g 및 옥타데카놀 1.082g (4mmol)을 바이알에서 혼합하고 100℃에서 1시간 동안 탈기시켰다. 다른 바이알에 옥타데칸 2g 및 스테아르산(steric acid) 0.2275g (0.8mmol)을 혼합하고 100℃에서 1시간 동안 탈기시켰다. 질소하에, 스테아린산 아연/옥타데칸 혼합물을 280℃로 가열하였다. 옥타데카놀/옥타데칸 혼합물을 주사기에 넣고 신속하게 주입하였다. 용액을 8분 동안 방치하였다. 스테아르산/옥타데칸 혼합물을 주사기에 넣고 8분 후에 주입하였다. 반응 혼합물을 추가로 2시간 동안 방치 한 다음 80℃로 냉각시켰다. 에틸 아세테이트 100mL를 첨가하고 반응 혼합물을 원심 분리 하였다. 톨루엔 10mL를 첨가하고 가온시켜 고형물을 용해시켰다. 메탄올 20mL를 첨가하고 원심 분리에 의해 응집물을 수집하였다. 고형물을 가온하면서 톨루엔에 재용해시키고 0.2㎛ 테플론 주사기 필터를 통과시켰다.
ZnO 나노입자 템플릿들의 UV-가시광선 (UV-vis) 흡수 스펙트럼을 도 2에 나타내었다(실선). 고해상도 투과 전자 현미경 (도 3)은 나노 피라미드들을 암시하는 삼각형 모양의 나노입자들을 나타낸다.
리간드 교환(Ligand Exchange)
헥사데실아민 1g, 헥사데칸 10mL 및 모든 ZnO 코어를 새로 세척한 둥근 바닥 플라스크에 넣고 1시간 동안 100℃에서 탈기시켰다. 리간드 교환을 가능하게 하기 위해 반응 혼합물을 110℃에서 밤새 방치하였다. 다음날 100℃에서 1시간 동안 반응 혼합물을 탈기시켰다.
기질-결합 MoS 2 합성(Substrate-Bound MoS 2 Synthesis)
바이알(vial)에, 헥사데실아민 2g 및 헥사데칸 10mL를 혼합하고 100℃에서 1시간 동안 탈기시켰다. 글러브 박스(glovebox)에서, 바이알에 0.132g Mo(CO)6를 넣은 다음 SUBA-SEAL® 고무 셉텀 [SIGMA-ALDRICH CO, LLC, 3050 Spruce Street St. Louis MISSOURI 63103]으로 덮어 글로브 박스에서 꺼냈다. 헥사데실아민/헥사데칸 혼합물을 주사기에 넣고 Mo(CO)6 바이알에 옮겼다. 투명하고 어두운 황색/오렌지색 용액이 형성될 때까지 Mo(CO)6/헥사데실아민/헥사데칸 혼합물을 질소 하에서 약 150℃로 가온시켰다. 리간드 교환된 ZnO 코어들을 250℃로 가열하고 총 5mL가 첨가될 때까지 몰리브덴 전구체 0.5 mL를 5분마다 첨가하였다. 그런 다음, 0.75 mL의 도데칸티올을 40분에 걸쳐 첨가하고, 완료시 1.5시간 동안 방치하였다. 이어서 몰리브덴 전구체 2mL 분량 3개를 5분 간격으로 첨가하여 몰리브덴 첨가를 완료하였다. 이어서, 0.75mL의 도데칸티올을 5분에 걸쳐 첨가하고 45분 동안 방치하였다. 반응 혼합물을 60℃로 냉각시킨 후, 아세톤 80mL를 첨가하고 원심 분리 하였다. 고형물을 25mL 헥산에 재용해시키고 N2 하에 저장 하였다.
기질-결합 MoS2 물질의 UV-vis 흡수 스펙트럼을 도 2에 나타내었다(파선(dsah line)). ZnO 템플릿들 대비 UV-vis 흡수 스펙트럼의 변화는 템플릿 상에 나노시트 성장을 시사한다. 도 4 (회색선)는 기질-결합 MoS2 물질의 라만 스펙트럼을 보여준다. ~ 375 및 398cm-1에서의 피크는 각각 MoS2의 E1 2g 및 A1g 밴드에 대한 문헌 값(literature value)과 잘 일치한다. 고해상도 TEM (도 5)은 기질-결합된 MoS2를 보여준다. 흐릿한 ZnO 나노 피라미드들의 모양은 ZnO 템플릿들 상에 나노시트 성장을 시사한다.
인터칼레이션 및 박리(Intercalation and Exfoliation)
기질-결합 MoS2 샘플을 N2가 채워진 둥근 바닥 플라스크에 넣고 2mL의 헥실아민 및 10mL의 프로필아민을 첨가 한 다음 3일 동안 교반 하였다. 혼합물을 N2 흐름을 사용하여 건조시키고 N2하에 고형물에 200mL 아세토니트릴을 첨가하고 3일 동안 교반 하였다. 상층액을 따라 내고 원심 분리하여 고형물을 버렸다. 얻어진 액체를 회전 증발기에서 감압하에 30℃에서 오일(oil)이 되게 한 다음, 아세토니트릴 6mL에 재용해시켰다. 조질의(crude), 박리된 물질을 바이알에 옮기고 뚜껑을 닫은 상태에서 6일 동안 공기 중에 방치하였다.
조질의 박리된 물질의 UV-vis 흡수 스펙트럼을 도 6에 나타내었다(실선). 조질의 박리된 물질 (2개의 다른 여기 파장: 360nm 및 450nm에서)의 PL 스펙트럼도 도 6에 나타내었으며(각각 파선 및 점선(dotted line)), 여기 파장 의존성 PL을 나타낸다.
용매 극성 정제(Solvent Polarity Purification)
샘플을 회전 증발기에서 다시 건조시켜 오일이 되게 한 다음 30mL의 물을 첨가 하였다. 샘플을 짧게 초음파 처리한 후 0.45㎛ 폴리프로필렌 주사기 필터를 통과시켰다. 물 샘플을 N2로 플러시하고 유리 바이알에 저장하였다. 필터 및 회전식 증발 플라스크에 보유된 잔류 고형물을 아세토니트릴로 수집하고 동일한 주사기 필터를 다시 통과시켰다. 물 또는 아세토니트릴 가용성이 아닌 잔류 고형물을 톨루엔을 첨가하여 수집 하였다.
물에서 추출된 물질 분획은 15.5%의 PLQY를 나타내었다. 물에서 추출된 물질 분획의 UV-vis 및 PL 스펙트럼을 각각 실선 및 파선으로 도 7에 나타내었다(하단). 라만 스펙트럼을 도 4에 나타낸다(검은 선). E1 2g 및 A1g 밴드의 위치는 기질-결합 MoS2의 밴드 위치에 비해 상대적으로 변하지 않는다. 물로 추출된 나노시트들의 TEM 이미지를 도 8에 나타내었으며 둥근 (직경 ~ 5nm) 나노시트를 도시한다.
아세토니트릴 (MeCN)에서 추출된 물질 분획은 3.7%의 PLQY를 나타내었다. 아세토니트릴에서 추출된 물질 분획의 UV-vis 및 PL 스펙트럼을 각각 실선 및 파선으로 도 7에 나타내었다(중간).
톨루엔에서 추출된 물질 분획은 2.1%의 PLQY를 나타내었다. 톨루엔에서 추출한 물질 분획의 UV-vis 및 PL 스펙트럼을 각각 실선 및 파선으로 도 7에 나타내었다(상단).
놀랍게도, 물에서 추출된 물질 분획의 QY는 도 9에 도시된 바와 같이 N2하에 저장될 때 시간이 경과함에 따라 증가하는 것으로 밝혀졌다.
산성화의 효과(Effect of Acidification)
수용성 분획의 일부를 진한 HCl을 사용하여 pH 2 내지 3으로 산성화시켰다. 샘플을 N2로 플러시하고 크림프 바이알(crimp vial)에 불활성으로 저장하였다. 놀랍게도, 도 9에 나타낸 바와 같이(삼각형), 물질의 QY는 산성화 및 시간의 경과에 따라 증가하는 것으로 밝혀졌다.
산성화된 물질의 PL 수명은 시간-분해 광 발광을 사용하여 측정되었다. 단일 지수 조성(single exponential fit)(도 10)을 사용하여, PL 수명은 9.8 ns에서 측정되었다. 이것은 문헌[M. Amani, D.-H. Lien, D. Kiriya, J. Xiao, A. Azcatl, J. Noh, S.R. Medhvapathy, R. Addou, S. KC, M. Dubey, K. Cho, R.M. Wallace, S.-C. Lee, J.H. He, J.W. Ager III, X. Zhang, E. Yabonovitch and A. Javey, Science, 2015, 350, 1065]에서 보고된 화학 처리된 MoS2에 대한 가장 높은 PL 수명(10.8ns)에 매우 가깝고 전형적으로 100ps 영역(order)인 박리된 상태의 MoS2보다 수십배(several orders of magnitude) 더 길다.
도 11에 도시된 바와 같이, 산-처리 나노시트들의 UV-vis 흡수 프로파일은 또한 추출된 상태의 나노시트들과 비교해서, 더 잘 정의되고 약간 적색 편이를 갖는다.
실시 예 2 : ZnO 템플릿들 상의 MoSe 2 나노시트들의 템플릿 보조 성장(Template-Assisted Growth of MoSe 2 Nanosheets on ZnO Templates)
ZnO 템플릿 합성
ZnO 템플릿들을 실시 예 1에 따라 제조하였다.
리간드 교환
헥사데실아민 1g, 헥사데칸 10mL 및 모든 ZnO 코어들(톨루엔 중의)을 둥근 바닥 플라스크에 넣고 80℃에서 1시간 동안 탈기시켰다. 반응 혼합물을 110℃에서 질소하에 하룻밤 방치하여 리간드 교환을 가능하게 하였다. 다음날, 반응 혼합물을 80℃에서 추가로 1시간 동안 탈기시켰다.
기질-결합 MoSe 2 합성
바이알에서, 헥사데실아민 2g 및 헥사데칸 10ml를 혼합하고, 80℃에서 1시간 동안 탈기시켰다. 글러브 박스에서, 바이알에 0.132g Mo(CO)6를 넣은 다음 SUBA-SEAL® 고무 셉텀으로 덮고 글러브 박스에서 꺼냈다. 헥사데실아민/헥사데칸 혼합물을 질소하에 Mo(CO)6 바이알에 첨가하였다. Mo(CO)6/헥사데실아민/헥사데칸 혼합물을 질소하에 약 150℃로 가온시켰다. 리간드 교환된 ZnO 코어들을 질소 하에서 250℃로 가열하고, 몰리브덴 전구체 1mL 분량을 5분마다 첨가하는 방식으로 하여 원하는 완전한 양을 첨가하였다. 그런 다음 톨루엔 5mL에 용해된 2g의 디페닐 디셀레나이드(diphenyl diselenide)를 주사기지펌프를 통해 90분에 걸쳐 첨가하고, 첨가를 완료하였을 때 250℃에서 50분간 방치하였다. 반응 혼합물을 60℃로 냉각시킨 후, 아세톤 80mL를 첨가하고 원심 분리 하였다. 고형물을 아세톤으로 세척하고 원심 분리하였다(2회 실시). 갈색 침전물을 25mL 헥산에 분산시켰다.
인터칼레이션 및 박리
상기 공정은 혐기성 조건하에서 수행되었다. 헥산 중 기질-결합된 MoSe2의 용액을 2mL의 헥실아민 및 10mL의 프로필아민을 함유하는 질소 충전 플라스크에 첨가하였다. 혼합물을 3일 동안 교반하였다. 반응 혼합물 용액을 진공하에 20분 동안 증발시켜 갈색 오일을 수득하였다. 탈기된 아세토니트릴 200mL를 첨가한 다음 3일 동안 교반하였다. 혼합물 용액을 진공 하에서 배기시키기 전에 캐뉼라 필터를 사용하여 질소 하에서 여과하였다. 배기된(evacuated) 오일을 아세토니트릴 6mL에 재분산시킨 다음 공기 중에 6일 동안 저장하였다.
용매 극성 정제
아세토니트릴 상청액을 따라 내고, 이어서 물을 고형물에 첨가 한 다음, 5분 동안 초음파 처리 하였다.
실시 예 3 : ZnO 템플릿들 상에 WS 2 나노시트들의 템플릿 보조 성장
ZnO 템플릿 합성
ZnO 템플릿을 실시 예 1에 따라 제조하였다.
리간드 교환
실시 예 2에 따라 리간드 교환을 수행하였다.
기질-결합 WS 2 합성
바이알에서, 헥사데실아민 2g 및 헥사데칸 10ml를 혼합하고, 80℃에서 1시간 동안 탈기시켰다. 글러브 박스에서, 바이알에 0.176g W(CO)6을 넣고 SUBA-SEAL® 고무 셉텀으로 덮고 글러브 박스에서 꺼냈다. 헥사데실아민/헥사데칸 혼합물을 질소하에 W(CO)6 바이알에 첨가하였다. W(CO)6/헥사데실아민/헥사데칸 혼합물을 질소하에 약 150℃로 가온하여 옅은 황색 용액을 얻었다. 리간드 교환된 ZnO 코어들을 교반하면서 질소 하에서 250℃로 가열하고, 텅스텐 전구체 0.5mL 분량을 5분마다 45분간 (10회 주입) 첨가하였다. 주사기 펌프를 사용하여 0.75mL의 1-도데칸티올을 40분에 걸쳐 첨가 한 다음, 250℃에서 90분 동안 방치하였다. 텅스텐 전구체 2-mL 분량 3개를 5분 간격으로 첨가하였다. 주사기 펌프를 사용하여 1-도데칸티올 0.75mL를 5분 간격으로 첨가 한 다음, 250℃에서 45분간 방치하였다. 반응 혼합물을 60℃로 냉각시킨 후, 아세톤 80mL를 첨가하고, 이어서 원심 분리시켰다. 고형물을 수집하고 25 mL 헥산 (질소로 버블 링)에 재용해시켰다.
인터칼레이션 및 박리
헥산 중의 기질-결합된 WS2의 용액을 2mL의 헥실아민 및 10mL의 프로필 아민을 함유하는 질소-충전 플라스크에 첨가하였다. 혼합물을 3일 동안 교반 하였다. 반응 용액을 진공하에 20분 동안 증발시켜 갈색 오일을 수득하였다. 탈기된 아세토니트릴 200mL를 첨가한 다음 3일 동안 교반 하였다. 회전 증발을 통해 용매를 제거하기 전에, 용액을 분리하고 0.45㎛ 주사기 필터를 통해 여과하였다. 6mL 아세토니트릴을 첨가한 다음, 용액을 바이알에 옮기고 7일 동안 공기 중에 방치 하였다.
용매 극성 정제
아세토니트릴 중의 용액을 회전 증발기를 사용하여 오일로 다시 건조시켰다. 30mL 물을 첨가한 다음, 샘플을 5분 동안 초음파 처리하였다. 상기 얻어진 용액을 0.45㎛ 주사기 필터를 통해 여과하였다. 생성된 무색 용액을 탈기시키고 물-용해성 상(water-soluble phase) (PLmax = 431nm; QY = 15.7%)으로 유지하였다. 15mL의 아세토니트릴을 회전 증발기 플라스크에서 선회시키고 주사기 필터를 통과시켰다. 생성된 주황색 용액은 아세토니트릴-용해성 상 (PLmax = 435nm; QY = 6.7%)으로 유지되었다. 15mL 톨루엔을 회전 증발 플라스크에서 선회시키고 주사기 필터를 통과시켰다. 담황색 용액은 톨루엔-용해성 상으로 유지되었다 (PLmax = 427nm; QY = 2.3%).
상술한 방법의 장점은 다음을 포함한다:
상기 방법은 확장축소 가능하다.
생성된 물질은 종래 기술의 방법에 의해 생성된 2D 나노시트와 비교하여 높은 QY를 가지며, 이는 결함이 적고 결정화도가 높은 물질을 암시한다.
템플릿 치수 및 크기 분포를 포함하는 파라미터를 제어함으로써, 좁은 시트 크기 분포가 달성될 수 있다.
비-박리된 물질은 재사용 될 수 있고, 높은 반응 수율을 초래하여, 물질 낭비를 회피할 수 있다.
상기 방법은 화학적 절단 또는 기계적 박리 없이 간단한 수단의 콜로이드성 2D 단분자층 형성을 제공한다. 다른 수단으로 만들어진 2D 단분자층에 필요한 광범위한 크기 선택 작업 없이 보다 좁은 PL 방출이 가능하다. 나노입자들은 다양한 용매의 범위에서 용해될 수 있도록 제조될 수 있다.
상술한 내용은 본 발명의 원리를 구현하는 시스템의 특정 실시 예를 나타낸다. 통상의 기술자는 본 명세서에 명시적으로 개시되지 않았더라도 그러한 원리를 구현하고 따라서 본 발명의 범위 내에 있는 대안 및 변형을 고안할 수 있을 것이다. 본 발명의 특정 실시 예가 도시되고 기술되었지만, 이 특허가 포함하는 것을 제한하려는 것은 아니다. 통상의 기술자라면 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다음의 청구범위에 의해 문언적으로 그리고 균등적으로 포함되는 다양한 변경 및 수정이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (20)

  1. 이차원(2D) 나노시트를 제조하는 방법으로,
    상기 방법은:
    나노입자 템플릿을 제공하고;
    상기 나노입자 템플릿의 표면 상에 2D 나노시트를 성장시키고;
    상기 나노입자 템플릿의 상기 표면으로부터 상기 2D 나노시트를 제거하고;
    상기 나노입자 템플릿으로부터 상기 2D 나노시트를 분리함을 포함하며,
    상기 나노입자 템플릿은 제 1 결정 구조를 갖는 물질을 포함하고,
    상기 2D 나노시트는 제 2 결정 구조를 갖는 물질을 포함하며,
    상기 제 1 결정 구조와 상기 제2 결정 구조 간의 격자 부정합은 5% 이하인,
    방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 결정 구조와 상기 제2 결정 구조 간의 격자 부정합은 3% 이하인,
    방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 결정 구조는 육각형인,
    방법
  5. 제1항에 있어서,
    상기 2D 나노시트는 2D 양자점인,
    방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 2D 나노시트는 전이금속 디칼코게나이드 나노시트인,
    방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 나노입자 템플릿은 양자점인,
    방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 2D 나노시트를 상기 나노입자 템플릿의 상기 표면으로부터 제거함은, 인터칼레이션 및 박리를 포함하는,
    방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 나노입자 템플릿으로부터 상기 2D 나노시트를 분리함은 크기-선택 분리 기술을 사용하여 분리함을 포함하는,
    방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 크기-선택 분리 기술은 용매 극성 정제인,
    방법.
  11. 나노입자 템플릿; 및
    상기 나노입자 템플릿의 표면을 적어도 부분적으로 덮는 이차원(2D) 전이금속 디칼코게나이드 나노시트를 포함하는 조성물이며,
    상기 나노입자 템플릿은 제 1 결정 구조를 갖는 물질을 포함하고,
    상기 2D 전이금속 디칼코게나이드 나노시트는 제 2 결정 구조를 갖는 물질을 포함하며,
    상기 제 1 결정 구조와 상기 제2 결정 구조 간의 격자 부정합은 5% 이하인,
    조성물.
  12. 삭제
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제 1 결정 구조와 상기 제2 결정 구조 간의 격자 부정합은 3% 이하인,
    조성물.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 제 1 결정 구조는 육각형인,
    조성물.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 나노입자 템플릿은 나노피라미드인,
    조성물.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 나노입자 템플릿은 양자점인,
    조성물.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 나노입자 템플릿은 ZnO 나노입자인,
    조성물.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 2D 전이금속 디칼코게나이드 나노시트는 MnO2, MoSe2 또는 WS2를 포함하는,
    조성물.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 2D 전이금속 디칼코게나이드 나노시트는 2D 전이금속 디칼코게나이드 양자점인,
    조성물.
  20. 제11항에 있어서,
    상기 나노입자 템플릿은 금속 나노입자 또는 중합체 나노입자인,
    조성물.
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