[发明专利]硅烯复合薄膜及其制备方法、电极及锂离子电池

说明书

本公开提供了一种硅烯复合薄膜及其制备方法、电极及锂离子电池。该硅烯复合薄膜的制备方法包括如下步骤：提供碳基底层；在碳基底层上重复多次制备硅烯层的步骤和重复多次制备碳引导层的步骤；其中，制备硅烯层的步骤和制备碳引导层的步骤交替进行；制备硅烯层的步骤包括：通过磁控溅射的方式溅射硅原子以形成硅烯层，制备碳引导层的步骤包括：通过磁控溅射的方式溅射碳原子以形成碳引导层。磁控溅射的方式适合于在工业上大规模制备硅烯薄膜，相较于传统技术中的分子束外延法、化学气相沉积法等能够显著提高制备效率、降低制备成本。

技术领域

本发明涉及二维材料技术领域，特别是涉及一种硅烯复合薄膜及其制备方法、电极及锂离子电池。

背景技术

二维材料是伴随着石墨烯的出现而被正式提出的，二维材料通常仅具有单个原子层至数十个原子层的厚度，因此具有许多独特的性质，例如较高的载流子迁移率、优异的光学性能和力学性能、以及巨大的比表面积，受到了广泛的关注。自从石墨烯被成功制备之后，研究者进一步探索出了许多新的二维材料，例如六方氮化硼、金属硫化物、金属硒化物和磷烯等。

硅烯是一种具有二维层状结构的硅的同素异形体，也具有类似的蜂窝状结构。与呈现平面结构的石墨烯不同的是，硅烯层中的硅原子并不处于同一平面上，这使得硅烯层呈现出周期性的弯折结构。硅烯不仅具有较大的比表面积，还具有足够的空间用于吸附锂离子以及供锂离子迁移，是一种颇具应用前景的电极材料。

在目前已有的制备方法中，主要采用分子束外延法或化学气相沉积法在特定的基底上生长硅烯。然而这些方法不仅需要较为精密的设备和较为苛刻的反应条件，其制备效率也很低，只适合在实验室中制备少量的硅烯材料用于研究，不适合大规模生产。也有一些技术通过对硅化钙进行适度氧化来生产硅烯纳米片，但是这种方式制备的硅烯质量较差，且得到的都是硅烯纳米片的粉体材料，不利于充分发挥硅烯的性能。

发明内容

基于此，为了在保证硅烯性能有效发挥的同时提高硅烯的制备效率、降低其制备成本，有必要提供一种硅烯复合薄膜的制备方法。

根据本公开的一些实施例，公开了一种硅烯复合薄膜的制备方法，其包括如下步骤：

提供碳基底层；

在所述碳基底层上重复多次制备硅烯层的步骤和重复多次制备碳引导层的步骤；其中，制备所述硅烯层的步骤和制备所述碳引导层的步骤交替进行；

制备所述硅烯层的步骤包括：通过磁控溅射的方式溅射硅原子以形成所述硅烯层，制备所述碳引导层的步骤包括：通过磁控溅射的方式溅射碳原子以形成所述碳引导层。

在本公开的一些实施例中，提供碳基底层的步骤包括：在衬底上制备催化层，以及，通过磁控溅射的方式在所述催化层上溅射碳原子，以形成所述碳基底层。

在本公开的一些实施例中，制备所述硅烯层的步骤和制备所述碳引导层的步骤在同一个沉积腔室中进行。

在本公开的一些实施例中，在制备所述硅烯层的步骤和制备所述碳引导层的步骤中，控制所述沉积腔室内的环境温度为20℃~100℃。

在本公开的一些实施例中，在制备所述硅烯层的步骤中，控制所述硅烯层的厚度为1nm~10nm；和/或，

在制备所述碳引导层的步骤中，控制所述碳引导层的厚度为1nm~10nm。

在本公开的一些实施例中，制备的所述硅烯层的层数≥50层，制备的所述碳引导层的层数≥50层。

在本公开的一些实施例中，在交替沉积硅烯层和碳引导层的步骤中，控制沉积的所述硅烯层和所述碳引导层的总厚度为500nm~5μm。

进一步地，根据本公开的又一些实施例，还提供了一种硅烯复合薄膜，其包括：碳基底层、多层硅烯层和多层碳引导层，所述硅烯层和所述碳引导层交替层叠设置于所述碳基底层上。