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TBSI刘碧录、成会明团队在《国家科学评论》发文提出一种规模化生产二维材料的新方法

January 08 2020

1213日,清华-伯克利深圳学院(TBSI)刘碧录、成会明团队在《国家科学评论》(National Science Review)期刊上在线发表了题为《力传输剂辅助剥离规模化生产二维材料》(Mass Production of Two-Dimensional Materials by Intermediate-Assisted Grinding Exfoliation)的研究论文。该研究团队开发了一种“自上而下”剥离制备二维材料的普适方法——力传输剂辅助纯剪切力剥离法(iMAGE技术, interMediate-Assisted Grinding Exfoliation),能够实现六方氮化硼、石墨烯以及二硫化钼等材料的规模化生产,所制备的二维材料具有高质量、非官能化等特点。同时,该方法普适性好、效率高、产率高、具备吨级二维材料工业化生产产能,为大规模制备二维材料这一难题提供了一条全新的技术路线,为二维材料的产业应用提供材料基础。2010年诺贝尔物理学奖获得者Kostya S Novoselov教授等人为该研究成果撰写评述文章,称本技术“将打开二维材料未来应用的大门”(open further applications for the 2D crystals beyond graphene)。

当前,以石墨烯为代表的二维材料具有诸多新颖的物理化学特性,在信息和能源等领域展现出重大应用前景。但是,二维材料商业应用的前提是能够实现大规模高效率制备,遗憾的是,目前二维材料家族中仅有石墨烯及其氧化物可实现工业化吨级生产,其余大量各具特色的二维材料尚停留在实验室制备阶段。因此,开发新的大规模制备方法,是实现二维材料从实验室走向千万家的必由之路。

受固体润滑剂失效原理的启发,研究团队提出iMAGE技术。固体润滑剂的失效源于块体材料层间的滑移,而滑移的结果便是块体材料被剥离为少层。因此,研究团队采用硬质研磨颗粒(力传输剂)辅助与加快这一过程的进行,从而快速剥离制备二维材料。以六方氮化硼为例,iMAGE技术可快速、规模化制备平均尺寸为1.2 μm,平均厚度为4nm~12层)的二维氮化硼,其中少层率达67%,制备速率达0.3 g h-1,是目前少层率最高,制备速率最快的方法。同时,本方法具有很好的普适性,所制备二维材料的电学和光学性质分布范围宽广,包括以石墨烯为代表的金属材料,二硫化钼等过渡金属硫化物、氧化钛等金属氧化物、碲化铋、黑磷等为代表的各类半导体,和以六方氮化硼、云母为代表的绝缘材料。此外,通过与矿产公司(洛阳申雨钼业,洛钼集团)的合作,初步验证了本方法的可放大性,利用自然存在且价廉的钼矿物实现了二维二硫化钼的规模制备,具备吨级二维材料生产能力。本工作对发展二维材料规模制备方法提出了新的思路,对未来二维材料工业化生产设备的设计具有指导意义。同时,iMAGE规模化生产制备技术对实现二维材料的商业化应用,推动其在电子、传感、新能源等行业的应用具有一定价值。

 

图为iMAGE技术大规模剥离生产制备二维材料策略:使用硬质颗粒辅助与加速层状块体材料的剥离,实现二维材料的快速、规模化生产制备

 

图为洛钼集团露天矿场

 

论文共同第一作者为TBSI 2017级硕士生张弛、2018级博士生谭隽阳,论文共同通讯作者为TBSI刘碧录副教授和成会明教授,论文作者还包括潘意坤、蔡兴科博士、邹小龙副教授,均来自于TBSI低维材料与器件实验室、深圳盖姆石墨烯研究中心。该研究由国家自然科学基金委以及深圳市工信局、科创委和发改委等部门支持。

 

原文链接:

Zhang Chi et al, National Science Review, 2020, DOI: nwz156

https://doi.org/10.1093/nsr/nwz156

 

诺贝尔物理奖得主Kostya S Novoselov教授等人撰写的专题评述文章:

https://doi.org/10.1093/nsr/nwz202


张弛、谭隽阳

编辑:马小帅