使用宽离子场穿孔二维材料制造技术

具有期望的尺寸范围、窄的尺寸分布以及高孔密度的、其内含孔的穿孔石墨烯和其他二维材料是难以获得的。与石墨烯、石墨烯基体材料和其他二维材料连续接触的薄层有助于促进孔的形成。对二维材料进行穿孔的方法可以包括:将二维材料暴露于离子源下，其中所述二维材料连续接触于至少一层；以及将来自于离子源的大量离子与二维材料和所述至少一层相互作用。所述离子源可以为宽离子束。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本申请基于35U.S.C.§119要求2014年1月31日提交的美国临时专利申请号61/934,530的优先权，其全部内容通过引用纳入本文。关于联邦资助研发下所作出专利技术的权利的声明不适用。领域本专利技术公开内容普遍地涉及二维材料，以及，更具体地，涉及穿孔二维材料的方法。背景石墨烯代表碳的一种形式，其中，碳原子存在于六元稠环的单个原子厚的薄层或多个层状薄片(例如，约20或更小)，形成延伸的平面晶格。石墨烯以其各种形态在许多用途中获得了广泛关注，主要是由于它的高电导率和热导值的有利组合、良好的面内机械强度，以及独特的光学和电学特性。在许多方面，石墨烯的性能可与碳纳米管匹敌，因为这两种纳米材料都是基于延伸的sp2-杂化的碳框架。其它具有几个或更小的纳米厚度以及延伸的平面晶格的二维材料，也在许多用途中得到关注。在一个实施例中，所述二维材料具有0.3至1.2nm的厚度。在其他实施例中，所述二维材料具有0.3至3nm的厚度。由于它的延伸平面结构，石墨烯提供了一些不与碳纳米管共享的功能。产业界特别感兴趣的是大面积石墨烯薄膜，可用于例如，特殊的阻挡层、涂层、大面积导电元件(例如，射频辐射器(RF radiator)或天线)、集成电路、透明电极、太阳能电池、气体屏障、柔性电子器件等。此外，与碳纳米管相比，目前石墨烯膜可以更廉价地大批量生产。一些对于石墨烯和其他二维材料的预期应用，是基于在这些纳米材料的平面结构中形成多个纳米级孔洞来预测的。在石墨烯和其他二维材料中形成孔洞的方法在本文中被称为“穿孔(perforation)”，并且在本文中将此类纳米材料称为“穿孔的(perforated)”。在石墨烯薄片中，由片层中的各六元碳原子环结构形成了填隙孔径，并且该填隙孔径少于一纳米跨度。特别地，沿其最长尺寸方向，该填隙孔径被认为是约0.3纳米(碳原子间的中心至中心距离约为0.28nm，并且孔径稍微小于该距离)。
典型地，对具有二维网络结构的薄层进行穿孔，是指在网络结构中形成大于填隙孔径的孔洞。石墨烯和其他二维材料的穿孔可以改变材料的电性能和对流过材料的流体的阻力。例如，穿孔的石墨烯的孔密度可用于调节纳米材料的导电性，并且，某些情况下，可用于调节其带隙。过滤用途是穿孔的石墨烯和其他穿孔的二维材料已经引起相当兴趣的另一领域。由于石墨烯和其他二维材料的原子级薄度，在过滤过程中实现高液体通量流量是可能的，即使存在的孔洞仅具有单纳米尺寸。高性能、高选择性的过滤用途，取决于过滤膜中存在足够数量的期望尺寸的孔洞。尽管已知对石墨烯和其他二维材料进行穿孔的许多方法，但是生产具有期望尺寸范围的、窄的尺寸分布和高的孔密度的孔洞仍然是一个挑战。在常规的穿孔方法中，通常至少缺乏这些参数中的某个参数。可以使用化学技术在石墨烯和其他二维材料中创建孔洞。石墨烯和其他二维材料暴露于臭氧或常压等离子体(例如，氧气/氩气或氮气/氩气等离子体)可实现穿孔，但是这些孔洞通常在密度和尺寸分布上有所不足。在许多情况下，难以分别控制孔洞成核和孔洞生长，因此，这些方法通常产生了孔洞尺寸的宽分布。此外，许多化学穿孔技术产生的孔是极端的：1)低孔密度以及小的孔洞尺寸的极端孔，和2)高孔密度以及大的孔洞尺寸的极端孔。这些极端孔对于过滤用途都是特别不理想的。第一种极端孔对于通量是不利的，第二种极端孔对于选择性地排除比孔径小的杂质是不利的。也可使用物理技术从二维材料的平面结构中除去物质以创建孔洞。高热离子束趋向在石墨烯和其他二维材料中产生孔洞，这些孔洞的尺寸太小以至于不能发生有效过滤，这主要是因为石墨烯和其他二维材料与在高热速度的离子的反应相当差。高热能量范围被定为介于热能量范围和低能量范围之间。例如，高热能量范围包括1eV和500eV之间的能量范围。相反地，聚焦离子束往往形成数量过少的孔洞。由于它们有很高的能量通量，聚焦离子束对于许多放置二维材料的基板而言，也是极其破坏性的。由于它们的高能量需求和小光束尺寸，使用聚焦离子束来穿孔大尺寸区域也是不切实际的。具有约0.3nm至约10nm尺寸范围、高孔密度和窄孔尺寸分布的孔洞的穿孔纳米材料，是尤其难制备的。具有这个尺寸范围内的孔洞，对于多种不同过滤应用尤其有效，其中包括，例如，反渗透、分子过滤、超滤和纳滤过程。举个例子，尺寸范围在0.3nm至0.5nm的孔洞可用于某些气体分离工艺。尺寸范围在0.7nm至1.2nm的孔洞可用于某些脱盐工艺。鉴于以上所述，本领域很需要规模化的、用于对石墨烯和其他二维材料进行穿孔方法，以便生产具有高孔密度、窄尺寸分布和小孔尺寸的孔洞。尤其地，本领域非常需要用于产生具有适于不同过滤应用的尺寸、孔密度和尺寸分布的孔洞的规模
化方法。本专利技术公布内容满足上述需求，并提供了相关优点。概述在不同实施例中，本文描述了对二维材料穿孔的方法。一方面，将含有二维材料层和另一种材料层的复合材料暴露于离子源，会在二维材料中产生多个孔洞，即使在离子的能量和/或通量相对较低时。在一个实施例中，其他材料层不是二维材料的片层或薄层。在一些实施例中，穿孔的方法可包括：(1)将二维材料暴露于离子源，其中所述二维材料与不同于所述二维材料的至少一个材料层相接触，和(2)将来自于离子源的多个离子与所述二维材料以及与所述的至少一个材料层相互作用。在一个实施例中，所述的至少一层与所述二维材料是连续接触的，当该二维材料暴露于离子源时。在一个实施例中，该离子在二维材料中引进了大量缺陷，并且该离子与所述的至少一层的相互作用，促进了所述缺陷膨胀成为所述限定于二维材料中的大量孔。在一些实施例中，该离子源提供了以下离子能量范围：从0.75keV至10keV、从1keV至10keV、从1keV至5keV、从2keV至10keV、或从5keV至10keV。在一些实施例中，该离子源提供了以下离子剂量范围，从1x1010个离子/cm2至1x1017个离子/cm2、从1x1011个离子/cm2至1x1015个离子/cm2、或从1x1013个离子/cm2至1x1019个离子/cm2。在一个实施例中，所述方法包括步骤：将复合多层材料暴露于离子源产生的离子，该多层材料包括含二维第一材料的第一层，和与第一层接触的第二材料的第二层；并且通过来自离子源的大量离子、来自离子源的中和离子、或其组合与所述二维第一材料和所述第二材料的相互作用，从而在二维第一材料中产生大量孔。在一个实施例中，所述离子源为宽射束或泛源。在一些实施例中，就中和离子而言，当与多层材料相互作用时，至少一部分来源于离子源的离子是被中和的。例如，离子可以在给定层表面附近或在层内碰撞过程中被中和。在一个实施例中，所述第一层具有第一侧和第二侧，其中第一侧面向离子源。所述第一层的第一侧可被称为第一层的“正面”。在一个实施例中，第二层为置于所述第一层的第一侧上的正面层。在多层材料暴露于离子源期间，至少一部分离子和/或中和离子与正面层的材料相互作用，并且，大量离子和/或中和离子穿过正面层，随后与包含二维材料的层反应。在一个实施例中，在穿孔之后除去正面层。当第二层为置于所述第一层的第二侧上的“背面层”时，至少一部分离子和/或中和离子与第一层的二维材料相互作用，并且，大本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种方法，包括：将多层材料暴露于离子源提供的离子下，所述多层材料包括含二维第一材料的第一层，以及与所述第一层接触的第二材料的第二层，所述提供的离子具有从1.0keV至10keV范围的离子能量以及从0.1nA/mm2至100nA/mm2的通量；以及通过将由离子源提供的大量离子、中和离子或其组合与所述二维第一材料以及与第二材料的相互作用，在所述二维第一材料中产生多个孔。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.01.31 US 61/934,5301.一种方法，包括：将多层材料暴露于离子源提供的离子下，所述多层材料包括含二维第一材料的第一层，以及与所述第一层接触的第二材料的第二层，所述提供的离子具有从1.0keV至10keV范围的离子能量以及从0.1nA/mm2至100nA/mm2的通量；以及通过将由离子源提供的大量离子、中和离子或其组合与所述二维第一材料以及与第二材料的相互作用，在所述二维第一材料中产生多个孔。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述离子能量为从1.0keV至5keV。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述离子源为宽射束源。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多层材料暴露于从1x1011个离子/cm2至1x1015个离子/cm2范围的离子剂量下，并且所述离子源提供选自下组的离子：Xe+离子、Ne+离子或Ar+离子。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多层材料暴露于从1x1011个离子/cm2至1x1015个离子/cm2范围的离子剂量下，并且所述离子源提供具有从90至200的分子量的有机离子或有机金属离子。6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述离子选自下组：环庚三烯鎓离子和二茂铁离子。7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述二维第一材料包括石墨烯。8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一层包括石墨烯基体材料薄层。9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述孔的特征尺寸为从0.5nm至2.5nm。10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述孔的特征尺寸为从1nm至10nm。11.如权利要求1-10任一项所述的方法，其特征在于，所述第一层具有第一侧和第二侧，其中第一侧面向离子源，并且，所述第二层位于所述第一层的第二侧上并且具有大于第一层的厚度。12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第二材料包括金属。13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述第二层包括用于二维第一材料的金属生长基板，并且所述碎片包括喷射自所述金属生长基板的金属原子或金属离子。14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，至少一部分离子、中和离子、
\t或其组合与第...

【专利技术属性】
技术研发人员：P·V·贝得沃斯，
申请(专利权)人：洛克希德马丁公司，
类型：发明
国别省市：美国;US