一种基于声表面波的大面积MXene薄膜的制备方法和制备设备

一种基于声表面波的大面积mxene薄膜的制备方法和制备设备
技术领域
1.本发明涉及薄膜材料制备技术领域，尤其涉及一种基于声表面波的大面积mxene薄膜的制备方法和制备设备。


背景技术：

2.目前，在众多的二维材料中，mxene作为一类二维过渡金属碳化物/氮化物材料，由于其表面终止基团可以轻易地在羟基、氧基或氟基之间改变，以便选择性吸收气体分子，并将这些化学、物理相互作用转化为电信号，所以mxene在气体传感器、超级电容器、储能器件和透明导体等领域引起了人们的广泛关注，具有良好的应用前景。通常现有的mxene材料的气敏应用依赖于单层均匀薄膜的强电导率，而制备mxene薄膜的方法是将mxene材料的max相中的a层进行选择性蚀刻后，再通过对多层结构进行进一步剥离，得到单层或多层mxene纳米薄片。
3.但是，现有的剥离技术通过超声剥离所得的单层mxene薄膜的平均横向尺寸不足，无法满足强电导率的要求，导致使用单层mxene薄膜制造的气敏元件的性能不达标，实用性不足。
4.因此，现有技术还有待于改进和发展。


技术实现要素：

5.鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于声表面波的大面积mxene薄膜的制备方法和制备设备，旨在制备出具有平均横向尺寸大的单层mxene二维材料薄膜。
6.本发明的技术方案如下：
7.一种基于声表面波的大面积mxene薄膜的制备方法，其中，
8.提供水槽；
9.将多层mxene材料分散液置于所述水槽内，通过至少一组叉指电极对所述水槽施加交流电，通过电声转换效应产生声表面波以剪切所述多层mxene材料分散液，并持续第一预设时间；
10.将基片覆盖所述水槽的开口并持续第二预设时间，在所述基片上旋涂得到单层mxene材料。
11.所述的基于声表面波的大面积mxene薄膜的制备方法，其中，所述多层mxene材料分散液的浓度为0.2～1mg/ml。
12.所述的基于声表面波的大面积mxene薄膜的制备方法，其中，所述多层mxene材料为选择性刻蚀ti3alc2中的金属al所制成的风琴状ti3c2材料。
13.所述的基于声表面波的大面积mxene薄膜的制备方法，其中，所述声表面波的功率为2-3w，波长为180～220μm，所述第一预设时间为3-8min。
14.所述的基于声表面波的大面积mxene薄膜的制备方法，其中，所述第二预设时间为5～10s。
15.所述的基于声表面波的大面积mxene薄膜的制备方法，其中，未施加所述声表面波时，所述基片与所述多层mxene材料分散液的液面的距离为0.8～1.1mm。
16.一种大面积mxene薄膜，其中，采用如上任一所述的基于声表面波的大面积mxene薄膜的制备方法制备得到。
17.一种基于声表面波的大面积mxene薄膜的制备设备，其中，包括基底、水槽壁、至少一组叉指电极和信号发生器，所述水槽壁设置于所述基底上，所述水槽壁与所述基底组成水槽；至少一组所述叉指电极设置于所述基底上，位于所述水槽壁的周围；其中，每组所述叉指电极包括至少四个围绕所述水槽壁均匀分布的电极头；所述信号发生器与所述电极头连接；任意两个所述电极头所处的水平面高度不同。
18.所述的基于声表面波的大面积mxene薄膜的制备设备，其中，所述电极头包括粘附层和叉指电极层，所述粘附层设置在所述基底和所述叉指电极层之间，所述叉指电极层的叉指对的对数为2～6对。
19.所述的基于声表面波的大面积mxene薄膜的制备设备，其中，所述粘附层的厚度为5～15nm；所述叉指电极层的厚度为90～110nm，所述叉指电极层的指条宽度和指条间隔均为45～55μm。
20.有益效果：本发明公开了一种基于声表面波的大面积mxene薄膜的制备方法，通过声表面波激励水槽中的多层mxene材料分散液的液滴定向高速旋转，为所述多层mxene材料分散液提供定向的剪切力，从而对多层mxene材料进行层状剥离而不会破坏其横向结构，从而使剥离出的单层mxene薄膜的平均横向尺寸面积大，增强电导率；然后，将基片覆盖在水槽的开口处，利用声波驱动微流在基片上旋涂单层mxene薄膜，及时转移单层mxene薄膜，而且涂覆均匀，成膜效果好，制备的气敏元件的灵敏度高，使用性能好，实用性高。
附图说明
21.图1为本发明的基于声表面波的大面积mxene薄膜的制备方法的流程图；
22.图2为本发明的基于声表面波的大面积mxene薄膜的结构示意图；
23.图3为本发明的基于声表面波的大面积mxene薄膜与基片的装配图；
24.图4为本发明的基于声表面波的大面积mxene薄膜的afm(原子力显微镜)图；
25.图5为本发明的基于声表面波的大面积mxene薄膜的sem(扫描电子显微镜)图。
26.其中，10、基底；20、水槽壁；30、水槽；40、电极头；50、基片。
具体实施方式
27.本发明提供一种基于声表面波的大面积mxene薄膜的制备方法和制备设备，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
28.一般来说，二维mxene材料的剥离方式通常采用超声剥离，但是由于产生的超声方向是无序的，材料在长时间的超声作用下，mxene材料的横向尺寸会随着超声时间的增加而减小，不利于制备大面积的单层mxene薄膜。本发明提供了一种基于声表面波的大面积
mxene薄膜的制备方法和制备设备，通过叉指电极产生的声表面波提供剪切力将多层mxene剥离成单层mxene，并利用其产生的声流在基片上旋涂形成薄膜。
29.如图1所示，本发明公开的一种基于声表面波的大面积mxene薄膜的制备方法包括：
30.s100、提供水槽；
31.s200、将多层mxene材料分散液置于所述水槽内，通过至少一组叉指电极对所述水槽施加交流电，通过电声转换效应产生声表面波以剪切所述多层mxene材料分散液，并持续第一预设时间；
32.s300、将基片覆盖所述水槽的开口并持续第二预设时间，在所述基片上旋涂得到单层mxene材料。
33.本实施例中使用的多层mxene材料分散液是通过将多层的二维mxene材料分散在水中或有机溶剂中制备得到，可选的，有机溶剂可选自乙醇、丙醇、乙酸乙酯中的一种或多种；本实施例中对盛有多层mxene材料分散液的水槽施加至少一组相对的声表面波，至少一组声表面波的声波传播至水槽后，水槽中的液滴吸收了声辐射力，使液滴发生定向高速旋转，而处于不同水平面的液滴的旋转速度不相同，因此相邻的水平面的液滴之间产生平行于水平面的剪切力，从而在整个分散液体系中形成水平方向的剪切力，可将多层二维mxene材料进行层状剥离而不会破坏其横向结构，剥离出的单层mxene薄膜的平均横向尺寸面积大，增强电导率；然后，将基片覆盖在水槽的开口上，由于声表面波对水槽中液体的驱动，使基片接触到高速旋转的分散液的液滴，从而利用声波驱动微流在基片上旋涂得到单层mxene薄膜，及时转移单层mxene薄膜，而且涂覆均匀，成膜效果好，制备的气敏元件的灵敏度高，使用性能好，实用性高。
34.另外，本实施例中公开的剥离-旋涂一体化系统直接在水槽内通过声学流旋涂的自组装膜方式完成制造，有利于节省制造时间，缩短制造周期。
35.具体的，本实施例中公开的叉指电极对应输出声表面波，声表面波为两个传播方向相对的声表面波，所述水槽位于两个传播方向相对的声表面波的声波输出点之间，且两个方向相对的声表面波的输出方向相互错位；换句话说，两个方向相反的声表面波的波输出点位于不同的传播平面上，这样避免两个声表面波在传播过程中相互叠加，以防发生正向叠加而相互抵消的情况发生。
36.举例来说，可以在水槽周围每间隔90
°
设置一个叉指电极，4个叉指电极分别设置在水槽的左、右、前、后四个方向，输出4个声表面波对水槽中的材料进行剥离，4个声表面波以传播方向相对的为一组，分成两组，两组声表面波分别从水槽的左边和右边、前边和后边四个方向向水槽发出，水槽的左边和右边的声表面波的传输方向相对且错位设置，水槽前边和后边的声表面波的传输方向相对且错位设置，4个声表面波的输出点以水槽为中心点呈中心对称设置，于是产生的声表面波能使水槽中的液体旋转，从而产生剪切力。
37.具体的，在一种实施方式中，公开了所述多层mxene材料分散液的浓度为0.2～1mg/ml；当多层mxene材料分散液的浓度低于0.2mg/ml时，在材料剥离及声流涂覆后，最终在基片的旋涂区得到的mxene薄膜占比率较低(占比率为mxene薄膜的面积之和/sem表征画面的总面积)；当多层mxene材料分散液的浓度高于1mg/ml时，最终在基片的旋涂区得到的mxene薄膜厚度明显增加，不利于薄膜的的均匀性。优选的，所述多层mxene材料分散液的浓
度为0.4～0.8mg/ml，更优选的，所述多层mxene材料分散液的浓度为0.5mg/ml，此时在基片的旋涂区能得到均匀平铺的单层mxene薄膜(请参见图4)。
38.具体的，在另一种实施方式中，公开了所述多层mxene材料为选择性刻蚀ti3alc2中的金属al所制成的风琴状ti3c2材料。该风琴状ti3c2材料具有多层横向结构，在超声剥离下可以分离成多层独立的单层mxene薄膜。
39.具体的，在另一种实施方式中，公开了所述声表面波的功率为2-3w，波长为180～220μm，所述第一预设时间为3-8min。在该声表面波的设置条件下，能给多层mxene材料分散液提供足够的剪切力将多层mxene材料剥离成单层mxene。
40.具体的，在另一种实施方式中，公开了所述第二预设时间为5～10s。
41.具体的，在另一种实施方式中，公开了未施加所述声表面波时，所述基片与所述多层mxene材料分散液的液面的距离为0.8～1.1mm。基片与所述多层mxene材料分散液的液面距离大于1.1mm时，液滴的液面低于水平面，呈凹字形，不利于液滴旋转剥离；基片与所述多层mxene材料分散液的液面距离小于0.8mm时，水槽内的液体过多，容易导致液滴高速旋转的过程中飞出水槽，溅在器件上。
42.作为本技术的另一实施例，公开了一种大面积mxene薄膜，所述大面积mxene薄膜采用如上所述的基于声表面波的大面积mxene薄膜的制备方法制备得到。
43.如图2所示，作为本技术的另一实施例，公开了一种基于声表面波的大面积mxene薄膜的制备设备，包括：包括基底10、水槽壁20、至少一组叉指电极(附图中未标出)和信号发生器(附图中未示出)，所述水槽壁20设置于所述基底10上，所述水槽壁20与所述基底10组成水槽30；至少一组所述叉指电极设置于所述基底10上，位于所述水槽壁20的周围；其中，每组所述叉指电极包括至少四个围绕所述水槽壁20均匀分布的电极头40；所述信号发生器与所述电极头40连接；任意两个所述电极头40所处的水平面高度不同。
44.具体的，本实施例中采用uv光刻及电子束蒸镀技术在衬底上制备一组叉指电极，叉指电极包括多个电极头40，在基底10上通电后，电极头40会产生声表面波，传播至水槽30后，水槽30中的液滴吸收了声表面波的声辐射力，使液滴发生定向高速旋转；而任意两个所述电极头40所处的水平面高度都不同，所以处于不同水平面的液滴的旋转速度不相同，不同的水平面上液滴之间产生速度差，形成剪切力，该剪切力可将多层mxene材料进行层状剥离而不会破坏其横向结构，可以获得平均横向尺寸面积大的单层mxene薄膜。
45.如图3所示，本实施例中公开的基于声表面波的大面积mxene薄膜的制备设备还可以在多层mxene材料被剥离后，不用更换容器，可以直接在水槽30的开口上覆盖基片50，利用声波驱动微流使基片50接触到高速旋转的分散液的液滴，在基片50上旋涂得到单层mxene薄膜，最后制成的薄膜涂覆均匀，成膜效果好，缩短了制膜时间，实用性高。
46.具体地，本实施例中公开的水槽壁20用聚二甲基硅氧烷聚物(pdms)制备，通过模具以及切割的方式制作好水槽壁20后，将水槽壁20与基底10连接形成水槽30，方便声表面波才通过基底10驱动水槽30中的多层mxene材料分散液。
47.具体的，本实施例中公开的基底10的材料采用压电材料，如铌酸锂、钽酸锂、石英等。较好的，采用128
°
y-x linbo3基底10，该基底10的声表面波的驱动效力最高。
48.在实际制造时，在压电材料基底10的中部位置设置水槽30，水槽30的制造流程具体为：将pdms与固化剂以10:1的重量比混合形成混合物，将混合物倒入模具中，然后将该培
养皿放入真空干燥器中脱气后，在60℃的真空烘箱中固化，得到固化的pdms；固化结束后，利用钻孔机和切割刀将固化的pdms进行切割，得到内直径为5mm、外边长均为8mm、高为2.5mm的水槽壁20，水槽壁20的形状也就是相当于在长和宽均为8mm、高为2.5mm的长方体上挖出一个内直径为5mm的圆形通孔；再将水槽壁20放在基底10中心，使水槽壁20与基底10连接，形成内直径为5mm、高为2.5mm的水槽30。
49.另外，为了不使水槽30漏水，需要将固化的pdms与基底10的连接处密封，具体的密封方法为：将基底10和固化的pdms各自的密封接触面朝上放置在真空腔内，待真空腔内的气压降至350-450mtorr时，使用氧等离子体对基底10和固化的pdms各自的密封接触面处理30秒，表面处理后，立即将固化的pdms的密封接触面准确按压在基底10的密封接触面上，使pdms材料与基底10材料产生不可逆的化学键合，然后在80℃的真空烘箱中加热1小时，使pdms材料与基底10材料的键合更牢固。
50.还有，本实施例中公开的水槽30和叉指电极均制备好后，采用金属夹具，将电极头40连接到印刷电路板(pcb板)上，在pcb板上焊接射频接头，将射频接头与信号发生器连接。
51.在一种实施方式中，所述电极头40包括粘附层和叉指电极层，所述粘附层设置在所述基底10和所述叉指电极层之间，所述叉指电极层的叉指对的对数为2～6对。
52.具体地，电极头40的粘附层材料为金属钛，叉指电极层的材料为金属金，粘附层设置在叉指电极层与基底10之间，粘附层增加了叉指电极层与基底10之间的粘附性。
53.优选的，所述叉指电极层的叉指对的对数为5对。
54.在一种实施方式中，所述粘附层的厚度为5～15nm，所述叉指电极层的厚度为90～110nm，所述叉指电极层的指条宽度和指条间隔均为45～55μm。粘附层具有足够的厚度能够为叉指电极层和基底10提供较好的粘附性，而叉指电极层的厚度、指条宽度和指条间隔均对电极头40的电场强度有影响，从而会影响其产生的声表面波。
55.优选的，所述粘附层的厚度为10nm，所述叉指电极层的厚度为100nm，所述叉指电极层的指条宽度和指条间隔均为50μm。
56.具体的，作为本实施例的一种实施方式，公开了上述基于声表面波的大面积mxene薄膜的制备设备准备好后，配置浓度为0.5mg/ml的多层mxene材料分散液，用微量注射器取30μl的多层mxene材料分散液并滴入上述制备设备的水槽30中，将信号发生器的中心频率调至18.4mhz，功率调至2.5w，打开信号发生器开关，工作7min，将分散液中的多层mxene剥离为单层mxene材料；然后将基片50反扣于水槽30的开口上，使基片50上的待用传感器件敏感区接触分散液，待10秒完成声流涂覆，此时传感器件敏感区均匀平铺大面积单层mxene薄膜。
57.本实施例制备得到的单层mxene薄膜的afm表征结果如图4所示，sem表征结果如图5所示，可以看出本实施例剥离得到了大面积单层mxene薄膜，其厚度为1.2nm，其宽度可达15μm，且大面积mxene薄膜的表面均匀性好，所以，本实施例中制备的单层mxene薄膜可用于制造性能良好的气敏传感器。
58.综上所述，本发明提供了一种基于声表面波的大面积mxene薄膜的制备方法和制备设备，所述制备方法包括：提供水槽；将多层mxene材料分散液置于所述水槽内，通过至少一组叉指电极对所述水槽施加交流电，通过电声转换效应产生声表面波以剪切所述多层mxene材料分散液，并持续第一预设时间；将基片覆盖所述水槽的开口并持续第二预设时
间，在所述基片上旋涂得到单层mxene材料。通过声表面波激励水槽中的多层mxene材料分散液的液滴定向高速旋转，为所述多层mxene材料分散液提供定向的剪切力，从而对多层mxene材料进行层状剥离而不会破坏其横向结构，从而使剥离出的单层mxene薄膜的平均横向尺寸面积大，增强电导率；然后，将基片覆盖在水槽的开口处，利用声波驱动微流在基片上旋涂单层mxene薄膜，及时转移单层mxene薄膜，而且涂覆均匀，成膜效果好，制备的气敏元件的灵敏度高，使用性能好，实用性高。
59.应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。