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尽管石墨烯赚足了“眼球” 但真正奇妙之处你却不知道

2016-01-08 09:34来源:雷锋网关键词:石墨烯储能超级电容器收藏点赞

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经过几年的发展,目前已有发现的二维材料,除了石墨烯和TMDC,还有六方氮化硼 (h-BN),金属有机骨架化合物 (MOFs),共价有机骨架化合物 (COFs)、过渡金属碳化物/碳氮化物 (MXenes),层状双氢氧化物 (LDHs),氧化物 (Oxides),金属 (Metals),黑磷 (BP)等等。但这仅仅是冰山一角,物理学家们预测总共应该存在约500种二维材料。

二维材料怎么造?

苏格兰胶条虽好,粘下来的终究是碎片。要想要让二维材料真正进入应用领域,寻找靠谱的生产方法至关重要。今天这里就盘点几种主流的制造方法:

机械剥离 (苏格兰胶带):先把胶带粘到原材料表面,再撕下来贴到衬底上,最后从衬底上撕下来。理想状况是衬底上能留下一些二维材料薄片。这样制备出来的材料完美保留了原有的晶格结构,用来搞基础研究很合适。不过靠撕胶条量产显然不靠谱,产量低不说,材料的大小厚度尺寸形状全都随机。

液态剥离:把材料放在有机溶液里超声振荡。这种振荡可以切断材料层间微弱的范德华力,但无法破坏层内原子间的共价键,从而剥离出二维材料。选择合适的有机溶液非常重要,材料和溶液的表面张力匹配得好,剥起来才又快又节能。用有机溶液有个好处,能避免剥离下来的二维薄片再重新聚集起来。制备出来的产物其实是二维材料的悬浮液。这个方法很高产,但真正的单层二维材料产出很低,材料的尺寸很小,还得处理有机溶液的污染。

离子插层和剥离:其实是液态剥离法的升级版 。先将离子插入材料层间,削弱层间范德华力,再超声振荡分离出二维薄片。这个方法不但产量高,质量也有保证,单层二维材料的产出比例高达90%。主要问题是离子插层一般都是长时间高温反应,而且常用的嵌入物是有机金属化合物和锂箔,二者见到水和氧气就会爆炸。

化学气相沉积 (CVD):这是最常规的材料沉积方法,将衬底材料置于真空反应舱内,在高温下导入的反应前驱体气体在衬底表面分解或反应,沉积出二维材料。这种方法可以大面积合成高质量的二维材料,尺寸厚度均可控,但前驱体还是容易在材料中引入杂质。此外还需解决两个实际问题:1. 如何确保在任意衬底上都能沉积所需要的二维材料 2.如何降低反应温度以简化反应过程,提高效率。

化学湿法:通过化学前驱体在溶液中发生化学反应来合成所需的二维材料,一般需要靠表面活性剂来控制材料的尺寸,形状和表面形貌。常见的的化学湿法合成包括模板合成,自组装和胶体合成等。这一类方法成本低,产出高。与其它方法相比,也更容易控制所得材料的尺寸和形状。但这类方法最大的问题是很难获得单层的二维材料,因为反应过程受到太多因素的影响,比如反应温度,时间,前驱体浓度等。

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