二維層狀材料的剝離及其復(fù)合物制備與性能研究.pdf

1、石墨烯(G)與六方氮化硼(h-BN)具備相似的晶體結(jié)構(gòu)，卻有著各自獨(dú)特的物理化學(xué)性能。將這兩種二維材料進(jìn)行插層復(fù)合，就使六方氮化硼與石墨烯具備互補(bǔ)的物化性質(zhì)及電學(xué)，如半導(dǎo)體性、高溫穩(wěn)定性和高化學(xué)穩(wěn)定性，可以作為碳材料的有效補(bǔ)充。
　　 本文利用化學(xué)溶劑法成功剝離得到單層、雙層及多層六方氮化硼及石墨烯材料，并將六方氮化硼與石墨烯進(jìn)行層與層交替疊加插層復(fù)合，形成類石墨烯半導(dǎo)體材料。此硼碳氮插層混合材料具有可調(diào)的能帶結(jié)構(gòu)，具備了半導(dǎo)體

2、材料的基本特性，顯示了良好的熱穩(wěn)定性同時(shí)還兼具石墨烯的堅(jiān)韌性。另外，為了進(jìn)一步探索六方氮化硼作為基體與納米顆粒的摻雜制備生物復(fù)合材料。通過化學(xué)還原法得到納米尺寸極小的納米銀顆粒負(fù)載于六方氮化硼材料表面，形成了納米銀/六方氮化硼復(fù)合物，這種新型復(fù)合材料具備優(yōu)異的抗菌持久性能。
　　 (1)采用化學(xué)溶劑法剝離將氮化硼與石墨粉末進(jìn)行剝離，得到各自單層、雙層及多層的二維超薄層狀六方氮化硼及石墨烯材料。實(shí)驗(yàn)中根據(jù)表面張力在剝離過程中的影響

3、，選擇適宜的有機(jī)溶劑。通過對比不同有機(jī)溶劑下對六方氮化硼及石墨烯的剝離效果，得到剝離六方氮化硼的最佳有機(jī)溶劑為：異丙醇(IPA)；剝離石墨烯材料的有機(jī)溶劑為：二甲基甲酰胺(DMF)。在這兩種溶劑中剝離后的六方氮化硼和石墨烯材料為較完整的六方晶體結(jié)構(gòu)，并且通過控制離心速度得到不同層數(shù)的六方氮化硼及石墨烯材料。剝離后的六方氮化硼納米材料直徑尺寸約在500～800 nm，石墨烯納米材料約為600～900 nm。這種方法優(yōu)點(diǎn)在于方法簡單，成本低

4、，產(chǎn)量高，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
　　 (2)將所得層狀六方氮化硼與石墨烯材料再次溶于有機(jī)溶劑DMF中，進(jìn)行一定強(qiáng)度的超聲離心后得到了六方氮化硼/石墨烯插層混合物薄膜材料。由于在有機(jī)溶劑及機(jī)械超聲作用下，破壞了原有材料各原子層間的范德華力，使得層狀六方氮化硼與石墨烯各層之間重新插層排列以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，即這種新型復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)為六方氮化硼與石墨烯層層交替疊加類似“sandwich”的結(jié)構(gòu)形式存在。利用各種不同表征手段證明了這種復(fù)合材料不僅

5、具備六方氮化硼與石墨烯各自的物理化學(xué)性質(zhì)，而且還具有其獨(dú)特的電學(xué)性質(zhì)，通過調(diào)整二者的摻入量比例來控制六方氮化硼/石墨烯混合物的光學(xué)帶隙寬度。經(jīng)電阻率、磁阻率及霍爾效應(yīng)測試得出：六方氮化硼/石墨烯插層混合物具有一定的電阻率及霍爾效應(yīng)現(xiàn)象，但與單純石墨烯相比，其值并不是特別突出，說明六方氮化硼的引入促使此插層混合物的電學(xué)性質(zhì)發(fā)生很大變化。
　　 (3)通過選用VASP軟件，對六方氮化硼/石墨烯插層混合物的插層機(jī)理、帶隙變化規(guī)律的理論

6、計(jì)算。石墨烯與六方氮化硼界面“振蕩”的產(chǎn)生而導(dǎo)致各自對應(yīng)電子改變，最后產(chǎn)生偶極現(xiàn)象而促使帶隙發(fā)生變化。根據(jù)混合激子波函數(shù)的計(jì)算得出：單純六方氮化硼具有較大帶隙表現(xiàn)為絕緣體性質(zhì)，當(dāng)摻雜不同比例的石墨烯后使六方氮化硼的激子發(fā)生轉(zhuǎn)移而導(dǎo)致其帶隙隨之分裂，進(jìn)而在半導(dǎo)體或者半金屬性之間變化。
　　 (4)將剝離后的層狀六方氮化硼作為基體，借助于微波輻射條件反應(yīng)制備了納米銀顆粒，并均勻沉積在六方氮化硼表面形成納米銀/六方氮化硼復(fù)合材料。所得

7、納米銀尺寸在5～10nm左右，無團(tuán)聚現(xiàn)象。通過對此復(fù)合材料進(jìn)行抗菌及殺菌性能測試后得出：納米銀/六方氮化硼復(fù)合物具有強(qiáng)烈的抗菌能力，殺菌率在99％以上。由此可以看出，此復(fù)合材料可應(yīng)用于生物醫(yī)藥及防腐蝕防污涂層等領(lǐng)域。
　　 本文通過化學(xué)溶劑法得到六方氮化硼/石墨烯插層混合材料，通過不同表征手段的測試，得到此插層材料具備其獨(dú)特的物化性能及電學(xué)特性，由于六方氮化硼的插入導(dǎo)致石墨烯的帶隙被打開，呈現(xiàn)半導(dǎo)體材料的特征，有望代替硅材料應(yīng)用