过渡金属硫族化合物纳米片和量子点的液相剥离方法研究

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过渡金属硫族化合物(TMDs)具有石墨烯类似的层状结构。例如二硫化钼(Mo S2),层内的钼原子与硫原子以共价键相结合,层间以范德华力相结合。过渡金属硫族化合物纳米片由一到数层单层组成其横向尺寸从数十纳米到数个微米,过渡金属硫族化合物量子点是横向尺寸10个纳米以下的纳米片。相较于块状,过渡金属硫族化合物纳米片和量子点则表现出独特且优异的物理和化学性质,如随层数可调节的带隙结构,被广泛应用于能源、催化、电子器件等领域。然而,大规模、无污染的制造高质量的过渡金属硫族化合物纳米片仍然是一个大问题,液相剥离法是目前最有前景的方法。但是,现有的液相剥离法通常使用有毒的、高沸点溶剂,或是长时间超声耗费能量。因此开发一种简单环保的制备过渡金属硫族化合物纳米片的方法仍然是一个研究热门。本文针对这一问题研究了以二硫化钼为例的一种简单的制备过渡金属硫族化合物纳米片和量子点的方法。以二硫化钼为例,以商业二硫化钼为原料,采用1-芘丁酸作为边缘插层剂和稳定剂,通过剪切剥离的方法,成功剥离出了半导体性2H纯相、少层、大尺寸的二硫化钼纳米片。通过高分辨电镜(HRTEM)、原子力显微镜(AFM)、吸收谱(UV-vis)、拉曼谱(Raman)等一系列表征手段,对剥离二硫化钼纳米片进行结果表征,并谈论分析了不同工艺参数对实验结果的影响,还分析了1-芘丁酸辅助剥离的原理。结果表明:制得的二硫化钼纳米片平均尺寸为1.8μm,大部分纳米片厚度为2-4层,且具有纯2H相,在水中稳定性极好。剪切速度6000 rpm下的特定最佳制备条件为:二硫化钼、水、芘丁酸的初始量分别为4.5 g、300 m L、200 mg,剪切时间为1 h。后续剥离二硫化钨纳米片和二硒化钼纳米片的成功证明了1-芘丁酸插层剥离对TMDs的适用性。在纳米片制备基础上,以商业二硫化钼为原料,采用溶剂热法制备了二硫化钼量子点。通过表征发现,量子点的平均尺寸在4.7 nm,且大部分的量子点只有1-2层。获得的二硫化钼量子点在365 nm光下呈现蓝色荧光,具有光致发光性能,并且随着激发波长的增加,量子点的的发射波长出现红移。经过重复实验我们也得到了二硫化钨量子点和二硒化钼量子点并且在365 nm光下也呈现蓝色荧光,对比二硫化钼量子点,二硫化钨与二硒化钼量子点的尺寸稍有差别。
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