具有褶皱结构的二维材料及其制备方法和具有超疏水表面的器件

本申请涉及新材料，尤其涉及一种具有褶皱结构的二维材料及其制备方法和具有超疏水表面的器件。

背景技术：

1、近年来，二维(2d)材料，包括石墨烯及其衍生物、金属膜、mxenes和过渡金属二硫属元素化物(tmds)，由于其可调谐的电子结构和特殊的电学和光学性质而被广泛研究。然而，在制造这些具有原子厚度的2d材料的过程中，褶皱或折叠的形成是不可避免的，以使它们能够稳定存在。与相应的大块材料相比，这些超薄材料具有新的性能。除了石墨烯之外，具有不同晶格结构和扩展能隙的2d材料进一步推动了这些材料在电子设备中的快速发展。例如，由于不同2d材料的容易合成和组合，已经实现了基于异质结的高性能器件的制造。在某些应用情况下，可以预期平面2d材料的制备。但研究表明，当一维长度超过临界值时，就不存在完全平坦的2d材料，例如石墨烯的临界值为10nm。本质上，石墨烯形成褶皱的自折叠现象是2d材料的粘附能和弯曲应变能之间的平衡。在实验上，微机械剥离、化学气相沉积(cvd)、化学嵌入和剥离等方法通常用于制备大面积和高质量的2d材料。在合成和转移过程中，褶皱结构随机且不可避免地形成。此外，在实际应用中，2d材料在没有任何支撑基底的情况下无法自由站立。因此，需要将它们转移到目标基板上。2d材料和基底之间的相互作用也可能导致褶皱结构的形成。与平面材料相比，具有粗糙结构的2d材料表现出许多新颖的物理特性，并引发了不同的应用趋势。

2、研究发现对褶皱结构的2d材料施加积极变化，可以诱导出其优异的机械、电学、热学和光学性能，这对其实际应用具有重要意义。此外，这些特性可以通过控制表面形貌或者甚至通过动态拉伸2d材料来修改。褶皱结构拓展了2d材料有前景的应用领域，如场发射器、能量容器和供应商、场效应晶体管、疏水表面、柔性电子和人工智能传感器。尤其在超疏水表面器件应用方面，通过褶皱结构多尺度调控进而增强贵金属二维材料润湿性方面尚未被涉猎研究，因超疏水表面材料与传统表面相比，在传热和传质、冷凝过程、自清洁和防水方面具有更高的效率，现已引起研究者的广泛关注。

3、完全平坦的材料是热不稳定的，但褶皱使其能够存在。在2d材料的制造过程中，无论采用何种方法制备2d材料，样品中都会自发形成褶皱结构。但形成机制不同，微机械剥离是一种将一层或几层2d材料与其本体材料分离的原始方法，除石墨烯外，2d材料也已被剥离。对于通过微机械剥离制备的样品，台阶和褶皱的随机形成是由于层状范德华力的不均匀破坏，在剥离的材料中可以观察到各种粗糙的形态样本。通过cvd方法，可以在金属箔和其他生长衬底上合成大面积、高质量的2d材料。对于化学气相沉积(cvd)制备的样品，生长衬底的粗糙形貌和冷却过程中的热应力共同导致了2d材料中褶皱的形成，例如，通过cvd法在au催化剂上生长的mos2，形成了随机的窄褶皱。机械剥离法和cvd法是制备褶皱机构2d材料及其粗糙度研究的自下而上法和自上而下法的典型代表，但是仍然存在一些明显的问题：

4、1.cvd法制备褶皱结构2d材料的过程中，常常需要对衬底预图案化处理或施加热和机械应变等外力，很难实现大面积均匀、具有衬底普适性生长且可控的屈曲褶皱2d材料的制备；

5、2.利用机械剥离法制备的2d材料质量不高，使得转移到目标衬底上形成褶皱结构的形貌不可控。因此，很难通过改变机械剥离实现对褶皱结构2d材料形貌的调控，以适应广泛的应用领域。

6、3.在未对衬底预图案化处理或施加热和机械应变等外力条件下，cvd法直接生长褶皱结构的金属二维材料仍未实现。

7、4.金属二维材料在超疏水表面的器件应用方面具有强大的潜力，但是通过对其褶皱形貌调控实现润湿性调节的方面尚未被研究。

技术实现思路

1、本申请的目的在于提供一种具有褶皱结构的二维材料及其制备方法和具有超疏水表面的器件，以解决上述问题。

2、为实现以上目的，本申请采用以下技术方案：

3、一种具有褶皱结构的二维材料的制备方法，包括：

4、在衬底上预溅射金属得到金属膜，然后将其与第via族固态单质置入可加热容器内；

5、在目标温度和工作气体气流存在条件下，反应得到所述具有褶皱结构的二维材料。

6、优选地，所述金属包括铂、锌、银、钯中的一种或多种；

7、所述衬底选自si衬底、石英衬底、ito衬底、sio2/si衬底中的任一种。

8、优选地，所述金属膜的厚度为2nm-50nm。

9、优选地，所述第via族固态单质包括硒单质、硫单质和碲单质中的一种或多种。

10、优选地，所述第via族固态单质的用量为30mg-1500mg。

11、优选地，所述工作气体包括氩气、氩气与氢气的混合气体、氮气中的任一种。

12、优选地，所述工作气体的流量为20-150sccm。

13、优选地，所述目标温度为300℃-750℃，所述反应的时间为10min-150min。

14、本申请还提供一种具有褶皱结构的二维材料，使用所述的具有褶皱结构的二维材料的制备方法制得。

15、本申请还提供一种具有超疏水表面的器件，包括所述的具有褶皱结构的二维材料。

16、与现有技术相比，本申请的有益效果包括：

17、本申请提供的具有褶皱结构的二维材料的制备方法，无需对衬底预图案化处理或施加热和机械应变等外力，cvd法直接制备大面积均匀且可控的褶皱结构2d材料；此cvd法制备的褶皱结构2d材料具有衬底普适性生长的趋势，可在不同衬底上直接生长。简单高效的cvd法制备褶皱结构2d材料易控且可重复性高，也可以应用到其他2d材料褶皱体系的制备。通过cvd法调整微尺度褶皱的形成，即表面粗糙度的多尺度调制，实现2d材料的可调润湿性，进一步增强其在超疏水表面器件应用方面的潜力。

技术特征：

1.一种具有褶皱结构的二维材料的制备方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的具有褶皱结构的二维材料的制备方法，其特征在于，所述金属包括铂、锌、银、钯中的一种或多种；

3.根据权利要求2所述的具有褶皱结构的二维材料的制备方法，其特征在于，所述金属膜的厚度为2nm-50nm。

4.根据权利要求1所述的具有褶皱结构的二维材料的制备方法，其特征在于，所述第via族固态单质包括硒单质、硫单质和碲单质中的一种或多种。

5.根据权利要求4所述的具有褶皱结构的二维材料的制备方法，其特征在于，所述第via族固态单质的用量为30mg-1500mg。

6.根据权利要求1所述的具有褶皱结构的二维材料的制备方法，其特征在于，所述工作气体包括氩气、氩气与氢气的混合气体、氮气中的任一种。

7.根据权利要求6所述的具有褶皱结构的二维材料的制备方法，其特征在于，所述工作气体的流量为20-150sccm。

8.根据权利要求1-7任一项所述的具有褶皱结构的二维材料的制备方法，其特征在于，所述目标温度为300℃-750℃，所述反应的时间为10min-150min。

9.一种具有褶皱结构的二维材料，其特征在于，使用权利要求1-8任一项所述的具有褶皱结构的二维材料的制备方法制得。

10.一种具有超疏水表面的器件，其特征在于，包括权利要求9所述的具有褶皱结构的二维材料。

技术总结
本申请提供一种具有褶皱结构的二维材料及其制备方法和具有超疏水表面的器件，涉及新材料技术领域。具有褶皱结构的二维材料的制备方法包括：在衬底上预溅射金属得到金属膜，然后将其与第VIA族固态单质置入可加热容器内；在目标温度和工作气体气流存在条件下，反应得到所述具有褶皱结构的二维材料。本申请提供的无需预图案处理化学气相沉积法制备具有褶皱结构的二维材料的方法，无需对衬底预图案化处理或施加热和机械应变等外力，CVD法直接制备大面积均匀且可控的褶皱结构2D材料，此CVD法制备的褶皱结构2D材料具有衬底普适性生长的趋势，可在不同衬底上直接生长。

技术研发人员：方铉,苗雪松,王登魁,闫昊,房丹,翟英娇,楚学影,李金华,范杰,邹永刚,王晓华
受保护的技术使用者：长春理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/7