[发明专利]层结构非对称的MXene及其衍生的异质结

说明书

本发明公开了一种层结构非对称的MXene(简称aMXene)及其衍生的异质结。将具有层结构对称性的MXene的顶或底钝化官能团层中一层去掉后，即可得到具有强偶极矩的aMXene。选择合适的单层过渡金属二硫族化物(mTMDC)去钝化aMXene的暴露一侧，则使得aMXene衍生为aMXene/mTMDC异质结。本发明提供的aMXene/mTMDC异质结，异层间具有强的电位差，有助于二维结构间的电荷重新分配,进而实现对能带结构、带边相对位置、载流子产生与变化的调控，从而赋予aMXene/TMDC异质结在电子学与化工应用方面的极大竞争力，使其在自旋电子学、电子/光电子、催化/光催化等领域方面具有良好的应用前景。

技术领域

本发明涉及材料设计技术领域，具体涉及一种层结构非对称的二维材料MXene

(aMXene)及其衍生的异质结。

背景技术

随着以石墨烯为例的原子厚度级的单层材料和以单层过渡金属二硫族化物(通常指mTMDC)、单层氮化硼为例的分子厚度级的单层材料的发现和发展，人们在纳米电子学、光电子学、高性能催化剂等领域取得了长足的进步。与广为人知并有着丰富性质的mTMDC相比，单层MXene是一族新研发成功的二维材料，具有组分可调导致其电子结构可调范围特宽和结构稳定的特点，从而有广泛应用价值。

MXene是由以“钝化官能团-金属原子-{碳原子-金属原子}_i-钝化官能团”堆垛的一类二维分子级单层材料。稳定且能够独立存在的单层MXene的构建需要在高活性的金属碳化物/氮化物层状材料的两个端面吸附可以充当电子受体的官能团。这些起钝化作用的官能团(T-基团)，通常含一种或多种V、VI、VII主族元素，例如NH、NH₂、O、OH、S、SH、F、Cl中的一种或多种。因此，对于某种MXene而言，其堆垛形式为T{M(CM)_i}T,其中C可部份或全部被N取代。而至今为止实验上已知的MXene中，金属原子M可以为Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Au、Cd、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、La、Ce中的一种或多种。由于表面钝化官能团以及层内金属原子类型及组分均可调整，则可在不同的MXenes材料中获得半导体特性、金属特性，以及优异的光学特性、催化活性、磁性、亲水性等，因此，MXenes在光电器件、自旋电子器件、超级电容器、包括锂离子电池的化学电池、催化剂、润滑剂等领域具有广阔的应用前景。

而将两种不同材料结合在一起所构建的异质结构，通常会具有一些由两种组分材料协同作用产生的性质。比如，通过这种方式得到的mTMDC/石墨烯、石墨烯/mTMDC/石墨烯，mTMDC/立方氮化硼、mTMDC/立方氮化硼/石墨烯、黑磷/mTMDC等奇异质双层在电子学/光电子学、自旋电子器件、储能器件和催化剂等工业领域已取得较大的进展，受到了人们极大的关注。随着对MXenes的研究的兴起，包含有MXenes的双层异质结构也迅速进入人们的视野，比如Sc₂CF₂/硅烯，OTiCTi₂/MoS₂，OScCSc₂/Sc₂CF₂体系等，在场效应晶体管、光催化分解水等领域展现出了巨大的潜力。但MXene的基本层结构TMCMT具层对称性而且不具偶极矩。而电子元器件的制备与发展，需要异质结层界面处具有强电位差。但满足该要求的异质结非常有限，因此，如何跨越这局限性是当务之急。

发明内容

本发明的实施方式在于提供一种具有层非对称结构的新型二维材料MXene(asymmetric MXene或aMXene)及其衍生异质结。