一种黑磷烯纳米片的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于液相剪切剥离原理进行黑磷烯纳米片制备的方法，属于黑磷烯纳米片剥离的纳米技术。
【背景技术】
[0002]二维纳米材料如石墨稀、过渡金属硫化物等，以其优异的物理和结构特性已经在电子、传感和光电器件等多领域表现出非凡的应用潜力。其中，石墨烯作为最具代表性的二维材料已经被广泛研究。它具有超高的载流子迀移率，但缺乏带隙却严重阻碍了石墨烯在逻辑半导体器件如场效应晶体管中的应用。而作为过渡金属硫化物半导体家族的代表成员，二硫化钼(MoS2)具有明显的带隙，且在η-型晶体管中表现出优异的开关比特性(>108)。然而，MoS2中结构缺陷存在可能会导致电子迀移率的降低，从而影响它的电学性能。因此，探索更多的新型功能二维半导体材料仍然意义重大。
[0003]近年来，具有单层或者少层黑磷原子层结构的黑磷烯，以其较高的的载流子迀移率(200?1000cm2V's》、可调节的直接带隙、较大的开关比特性(104?10 5)和各向异性等，逐渐成为最具潜力的适用于高性能电子和光电子器件的二维半导体材料。作为黑磷烯的对应块体材料黑磷，是磷的同素异形体中最稳定的，并在1914年经由白磷在高温高压下转换而被首次制得。和石墨类似，黑磷的原子层间也是通过微弱的层间作用力而相互堆叠，并且这种作用力具有范德华力特征，故而使得机械剥离(撕胶带法)成为可靠的实验室技术来制备极少量的高质量黑磷烯纳米片。大量的制备二维材料可以通过化学剥离法实现，但这种方法会引入缺陷或发生相转变，导致二维材料的电学性能下降，因而不适合高质量黑磷烯的制备。最近，液相超声剥离被认为是一种制备高质量电子级黑磷烯的有效途径，并且这种方法不会产生中间化学反应，但其缺点在于剥离效果会受限于所使用的超声波的能量以及冗长的剥离时间。为此，开发一种简单的、大面积且快速制备高质量的黑磷烯纳米片的方法对拓宽黑磷烯在电子、光电器件以及光学等诸多领域的工业级应用具有重要价值。
【发明内容】
[0004]发明目的:为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种黑磷烯纳米片的制备方法，该方法基于液相剪切剥离原理，可实现黑磷烯的简单、快速制备，具有低成本、规模化制备的潜能。
[0005]技术方案:为实现上述目的，本发明采用的技术方案为:
[0006]—种黑磷烯纳米片的制备方法，所述黑磷烯纳米片是采用高速旋转刀头产生的液相剪切力剥离黑磷晶体所得，整个制备过程均在含氩气的环境中完成，具体过程为:首先按配比将黑磷晶体和有机溶剂置于搅拌桶内；然后设定高速旋转刀头的转速，接通电源以驱动高速旋转刀头在搅拌桶内旋转，经设定剥离时间后即可得到黑磷烯纳米片分散液；最后通过离心、过滤和清洗，即可得到干净的黑磷烯纳米片。
[0007]上述方法可以采用家用厨房料理机(豆浆机或鲜榨果汁机等)实现，即:所述黑磷烯纳米片是采用家用厨房料理机高速旋转刀头产生的液相剪切力剥离黑磷晶体所得，整个制备过程均在含氩气的手套箱中完成，具体过程为:首先按配比将黑磷晶体和有机溶剂置于采用家用厨房料理机的搅拌桶内，使用保鲜膜(或盖子)封好入料口以防止剥离过程中发生液体溅出情况；然后设定家用厨房料理机的高速旋转刀头的转速，接通电源以驱动高速旋转刀头在搅拌桶内旋转，经设定剥离时间后即可得到黑磷烯纳米片分散液；最后通过离心、过滤和清洗，即可得到干净的黑磷烯纳米片。
[0008]该方法得到的黑磷烯纳米片厚度为单层或者少层，所述少层为2?10层。
[0009]采用家用厨房料理机实现上述方法，具体包括如下步骤:
[0010](1)按配比称取黑磷晶体和有机溶剂，将黑磷晶体加入到有机溶剂中形成黑磷液体，黑磷液体的浓度为0.01mg/mL?20mg/mL(按两者的质量进行理论计算);所述有机溶剂为二甲基亚砜(DMSO)、N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、N_甲基吡咯烷酮(NMP)和异丙醇(IPA)中的一种或两种以上的混合；
[0011](2)将lOOmL?1500mL黑磷液体置于搅拌桶内，封好入料口以防止剥离过程中发生液体溅出情况；高速旋转刀头配备刀头叶片的数目为2?6个；
[0012](3)设定高速旋转刀头的转速，接通电源以驱动高速旋转刀头在搅拌桶内旋转，经设定剥离时间后即可得到黑磷烯纳米片分散液；高速旋转刀的转速为3000rpm?25000rpm，设定剥离时间为0.lh?2h ;
[0013](4)将黑磷稀纳米片分散液在1000rpm/min?6000rpm/min转速下离心，将上层液体采用聚四氟乙烯过滤膜过滤得到黑磷烯纳米片，使用酒精和异丙醇对黑磷烯纳米片进行反复冲洗最后重新分散到异丙醇中，最终得到单层和少层的黑磷烯纳米片分散液。
[0014]有益效果:本发明提供的黑磷烯纳米片的制备方法，该方法基于液相剪切剥离原理，可实现黑磷烯的简单、快速制备，具有低成本、规模化制备的潜能。该制备方法利用家用厨房料理机刀头高速旋转产生的液相剪切力剥离黑磷晶体，这一液相剪切原理可进一步放大到工业化规模化生产，因而具有高度的扩展性和广泛的应用性。和现有的黑磷烯纳米片剥离方法相比，这种剪切剥离技术不仅能克服机械剥离法繁琐的重复剥离过程和实验室级的低产量等缺点，还可避免液相超声剥离过程中超声波能量效率不足、剥离时间冗长的问题。更重要的是，利用剪切剥离技术所制得的黑磷烯纳米片，与机械剥离、超声剥离具有同样的高质量。
【附图说明】
[0015]图1 (a)为本发明所使用的厨房料理机的光学照片；
[0016]图1 (b)该料理机剥离黑磷过程中的照片；
[0017]图2(a)和图2(b)为本发明制备得到的两种黑磷烯纳米片的SEM像；
[0018]图3(a)为本发明制备所得的单层厚度黑磷烯纳米片的TEM像；
[0019]图3 (b)为本发明制备所得的单层厚度黑磷烯纳米片的高分辨TEM像；
[0020]图3(c)为本发明制备所得的单层厚度黑磷烯纳米片的选区电子衍射图；
[0021]图4(a)为本发明制备所得的多层厚度单层厚度的黑磷烯纳米片的TEM像；
[0022]图4(b)本发明制备所得的多层厚度单层厚度的黑磷烯纳米片的高分辨TEM像；
[0023]图4(c)本发明制备所得的多层厚度单层厚度的黑磷烯纳米片的选区电子衍射图；
[0024]图5为本发明制备所得黑磷稀纳米片的Raman图谱；横坐标是Raman位移，单位是cm S纵坐标是Raman峰相对强度，单位是无量纲。
【具体实施方式】
[0025]下面结合实施例和附图对本发明作更进一步的说明。
[0026]实施例1
[0027](1)以lOOmL的二甲基亚砜为有机溶剂，配制0.01mg/mL的黑磷溶液。
[0028](2)将上述混合分散液倒入底部配备2个刀头叶片的料理机中，然后用封装膜把机盖封好，以防机器运行过程中液体溅出。
[0029](3)接通电源，控制输入电压，高速旋转刀头的运行转速为3000rpm/min，剪切剥离时间共计0.lh，此时块体黑磷部分被剥离成